DE102018122917A1 - Device for the direct optical recording of skin prints - Google Patents

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DE102018122917A1
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Philipp Riehl
Jörg Reinhold
Jürgen Hillmann
Tom MICHALSKY
Daniel KRENZER
Holger FEMEL
Wolfgang Jähne
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Jenetric GmbH
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken.Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die für Personenidentifikationen nach FBI-Standard eine Anzeigeschicht direkt unterhalb der Auflagefläche (11) zulässt, wird erfindungsgemäß gelöst, indem eine Lichtleiterschicht (141) unterhalb der Sensorschicht angeordnet ist, die an einer Schmalseite mindestens eine LED (142) aufweist und mit Lichtauskoppelstrukturen (144) versehen ist, die mittels Neigungswinkel ε und Unterschieden der Brechungsindizes zu Nachbarschichten eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) mit einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche (11) beim Übergang Deckschicht (12) zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, sowie mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤+/-15° gestatten, wobei zwischen Deckschicht (12) und Sensorschicht (13) sowie zwischen Sensorschicht (13) und Lichtleiterschicht (141) erste und zweite Adhäsionsschichten (15, 16) vorhanden sind, deren Brechungsindizes mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht (141) und der Sensorschicht (13) sind.The invention relates to a device for the optical direct recording of skin prints. The object of the invention is to find a new possibility for the optical direct recording of skin prints of human autopodiums, which allows a display layer for person identification according to the FBI standard directly below the contact surface (11) a light guide layer (141) is arranged below the sensor layer, which has at least one LED (142) on a narrow side and is provided with light decoupling structures (144) which, by means of the angle of inclination ε and differences in the refractive indices from neighboring layers, provide a directional light decoupling from the light guide layer (141) allow with a defined angle that leads to internal total reflection (TIR) on the contact surface (11) at the transition from the top layer (12) to air, and with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 °, whereby between the top layer (12) and the sensor layer (13) and between Senso r layer (13) and light guide layer (141) first and second adhesion layers (15, 16) are present, the refractive indices of which are at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer (141) and the sensor layer (13).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, insbesondere zur Aufnahme von Papillarlinien von Mehrfinger- oder Handabdrücken.The invention relates to a device for the optical direct recording of skin prints, in particular for recording papillary lines of multi-finger or hand prints.

Der Stand der Technik kennt einerseits Systeme, die der Verifikation biometrischer Merkmale dienen, bei denen eine Übereinstimmung mit abgespeicherten Merkmalen vorliegen muss, beispielsweise um eine Zugangskontrolle für definierte Sperrbereiche zu ermöglichen.On the one hand, the prior art knows systems which serve for the verification of biometric features, in which a match with stored features must exist, for example to enable access control for defined restricted areas.

Andere Systeme dienen der Identifikation durch den Abgleich mit Vergleichsdatenbanken, beispielsweise Pass- und Visa-Erstellung, Personenidentitätsfeststellung bei Grenzkontrollen, insbesondere an Flughäfen, oder bei der erkennungsdienstlichen Erfassung durch die Polizei. Die Anforderungen hinsichtlich Qualität, Auflösung und Originaltreue der aufgenommenen Bilder der Hautabdrücke sind bei den letztgenannten Systemen sehr umfangreich.Other systems are used for identification by comparison with comparison databases, for example passport and visa creation, personal identity determination at border controls, in particular at airports, or in the identification process by the police. The requirements regarding quality, resolution and fidelity of the recorded images of the skin prints are very extensive with the latter systems.

Nicht zuletzt aufgrund hoher Anforderungen durch mit erkennungsdienstlichen Maßnahmen betraute Organisationen, wie beispielsweise das Federal Bureau of Investigation (FBI) der USA, gibt es bei diesen Systemen ein hohes Maß an Standardisierung, um einerseits eine möglichst zweifelsfreie Erkennung zu sichern und andererseits Datensätze, die mit verschiedenen Systemen aufgenommen wurden, vergleichbar zu machen.Not least due to the high demands of organizations entrusted with identification measures, such as the Federal Bureau of Investigation (FBI) of the United States, there is a high degree of standardization in these systems, on the one hand to ensure that the detection is as unambiguous as possible and on the other hand that data records are used different systems have been included to make them comparable.

Zur Erfüllung dieser Anforderungskriterien wird ein qualitativ hochwertiges Systemdesign benötigt. Bei einem optischen System bedeutet das beispielsweise, dass nicht nur der Aufnahmesensor bzw. die Aufnahmesensoren den Anforderungen genügen müssen, sondern auch die Beleuchtung und alle anderen für die Bilderzeugung notwendigen Komponenten, vor allem dann, wenn große Hautflächen, also mehr als ein Finger (zum Beispiel eine komplette Hand), gleichzeitig aufgenommen werden soll.A high-quality system design is required to meet these requirement criteria. In the case of an optical system, this means, for example, that not only the exposure sensor or sensors have to meet the requirements, but also the lighting and all other components necessary for image generation, especially when large areas of skin, i.e. more than one finger (for Example a complete hand), should be recorded at the same time.

Für die Erfassung von Finger- und Handabdrücken, welche die genannten hohen Qualitätsanforderungen erfüllen, werden derzeit unterschiedliche Systeme verwendet.Different systems are currently used to record fingerprints and handprints that meet the high quality requirements mentioned.

Zum einen kommen kapazitive, semi-transparente TFT-Sensoren zum Einsatz, bei denen eine Nutzerführung durch ein Display unterhalb des Sensors realisiert werden kann. Das Lesen von sicherheitsrelevanten Dokumenten, wie z. B. Pässen, Führerscheinen, Tickets, Bordkarten etc., ist dabei allerdings nicht möglich, sodass ein separates Gerät oder zumindest eine zusätzliche optische Sensorschicht notwendig wäre, die aber die Gerätekosten in die Höhe treiben würde.On the one hand, capacitive, semi-transparent TFT sensors are used, in which user guidance can be implemented using a display below the sensor. Reading security-related documents such as B. Passports, driving licenses, tickets, boarding cards etc. is not possible, so that a separate device or at least an additional optical sensor layer would be necessary, but this would drive up the device costs.

Zum anderen drängen Geräte auf den Markt, die eine optische Direktabtastung der Hautabdrücke realisieren, d.h. bei denen das aufzunehmende Objekt (Finger, Vierfinger oder Hand) auf eine Auflagefläche direkt über dem lichtempfindlichen Sensorarray aufgelegt wird, ohne dass optisch abbildende Systeme, wie makroskopische Linsen, Prismen, abbildende Gitter etc., zum Einsatz kommen. Diese Systeme können zudem die Aufnahme von Hautabdrücken mit den Vorteilen einer visuellen Nutzerführung sowie einer optischen Aufnahme von Dokumenten an derselben Auflagefläche verbinden, indem optische semi-transparente TFT-Sensoren verwendet werden.On the other hand, devices are entering the market that implement direct optical scanning of the skin prints, i.e. in which the object to be photographed (fingers, four fingers or hand) is placed on a support surface directly above the light-sensitive sensor array, without using optical imaging systems such as macroscopic lenses, prisms, imaging gratings, etc. These systems can also combine the recording of skin impressions with the advantages of a visual user guidance and an optical recording of documents on the same contact surface by using optical semi-transparent TFT sensors.

Ein System, bei dem hierzu ein Display unter dem optischen Sensor positioniert wird, ist bereits aus der DE 10 2015 115 484 B3 bekannt. Dort fungiert das Display gleichzeitig als Beleuchtung bzw. wird als Hintergrundbeleuchtung verwendet, so wird das aufliegende Objekt diffus, also ungerichtet beleuchtet. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird anschließend von den lichtempfindlichen Elementen eines Sensors detektiert. Hierbei ist die Dicke der Deckschicht zwischen der Auflagefläche und den lichtempfindlichen Elementen auf wenige Mikrometer beschränkt, da Auflösung und Kontrast mit zunehmender Entfernung zwischen Sensor und Auflagefläche schnell abnehmen.A system in which a display is positioned under the optical sensor is already out of the DE 10 2015 115 484 B3 known. There, the display also functions as lighting or is used as background lighting, so that the object lying on it is illuminated diffusely, that is to say in a non-directional manner. The light scattered back from the object is then detected by the light-sensitive elements of a sensor. The thickness of the cover layer between the support surface and the light-sensitive elements is limited to a few micrometers, since the resolution and contrast decrease rapidly with increasing distance between the sensor and the support surface.

Dennoch sind auch verschiedene Lösungen bekannt, die bei gleicher Bildqualität eine größere Dicke der Deckschicht ermöglichen bzw. erfordern.Nevertheless, various solutions are known which enable or require a greater thickness of the cover layer with the same image quality.

Dazu wird einerseits das Beleuchtungslicht der Hintergrundbeleuchtung kollimiert, wie bei verschiedenen Ausführungen aus der US 2018/0121701 A1 ( WO 2017/118030 A1 ) bekannt. Nachteilig erweist sich dabei allerdings, dass zusätzliche optische Elemente zwischen Beleuchtung und Auflagefläche integriert werden müssen, um die gewünschte Lichtformung zu realisieren. Diese zusätzliche Schicht erhöht die Dicke der gesamten Vorrichtung, ist teuer und komplex in der Herstellung.For this purpose, the illuminating light of the backlight is collimated on the one hand, as in the case of various designs from the US 2018/0121701 A1 ( WO 2017/118030 A1 ) known. However, it proves disadvantageous that additional optical elements have to be integrated between the lighting and the support surface in order to achieve the desired light shaping. This additional layer increases the thickness of the entire device, is expensive and complex to manufacture.

In ähnlicher Weise ist in der US 2018/0165497 A1 beschrieben worden, in einen Flachbildschirm einen optischen Bildsensor einzubetten, der einen Fingerabdrucksensor enthalten kann. Der Aufbau umfasst einen Anzeigebildschirm mit einem Anzeige- und einem Nichtanzeigebereich, eine Lichtleiteinrichtung, die mit übereinstimmender Länge und Breite auf dem Anzeigebildschirm anliegt und aus zwei mit einer niedrigbrechenden Klebstoffschicht verbundenen Deckplatten besteht, wobei die Lichteinkopplung außerhalb der Displayschicht des Flachbildschirms erfolgt, durch eine lichtbrechende Schicht unterhalb der Displayschicht unter einem Winkel zwischen 70° und 75° in die untere Deckplatte eingekoppelt und in dieser totalreflektiert weitergeleitet werden. Ein Anteil dieses totalreflektierten Lichts wird an der lichtbrechenden Schicht unter einem kleineren Winkel in die obere Deckplatte eingekoppelt und an der äußeren Grenzschicht zur Luft als interne Totalreflexion (TIR - Total Internal Reflection) in Richtung des Displays zurückgeworfen, wobei es durch die niedrigbrechende Schicht transmittieren und auch die untere Deckplatte ohne Reflexion passieren kann. Da das Display ein AMOLED (active matrix organic light-emitting diode) ist, kann es auch als Sensorschicht genutzt werden. Damit kann eine Detektion von Fingerabdrücken und - durch Nutzung von IR-Licht - von Venen vorgenommen werden.Similarly, in the US 2018/0165497 A1 has been described to embed an optical image sensor in a flat panel display, which can contain a fingerprint sensor. The structure comprises a display screen with a display and a non-display area, a light guide, which lies with the same length and width on the display screen and consists of two cover plates connected with a low-refractive adhesive layer, the light being coupled in outside of the display layer of the flat screen, by one The light-refractive layer below the display layer is coupled into the lower cover plate at an angle between 70 ° and 75 ° and passed on in a totally reflected manner. A portion of this totally reflected light is coupled into the upper cover plate at a smaller angle at the refractive layer and reflected back towards the display as an internal total reflection (TIR - Total Internal Reflection) at the outer boundary layer, whereby it transmits through the low refractive layer and the lower cover plate can also pass without reflection. Since the display is an AMOLED (active matrix organic light-emitting diode), it can also be used as a sensor layer. This enables fingerprints and - using IR light - veins to be detected.

Nachteilig ist die punktuelle seitliche Einkopplung des Lichts über ein Beugungsgitter, wofür eine Laserquelle erforderlich ist, um benötigte Lichtintensitäten in einen Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch erfolgt die Ausleuchtung im Lichtleiter lediglich in einer dreieckigen Fläche. Außerdem ist die Lichtauskopplung aus dem Lichtleiter über die üblichen Streuzentren, wie beispielsweise in der US 2018/0128957 A1 beschrieben, als Beleuchtung zur hochwertigen Fingerabdruckaufnahme, die den FBI-Standards genügt, dadurch beschränkt, dass der Anteil von Beleuchtungsstrahlen für das TIR-Prinzip eher unzureichend klein ist.A disadvantage is the selective lateral coupling of the light via a diffraction grating, for which a laser source is required in order to couple the required light intensities into a light guide. As a result, the light is only illuminated in a triangular area. In addition, the light is extracted from the light guide via the usual scattering centers, such as in the US 2018/0128957 A1 described, as lighting for high-quality fingerprint recording that meets the FBI standards, limited by the fact that the proportion of illuminating rays for the TIR principle is rather insufficiently small.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken menschlicher Autopodien zu finden, die bei hohen Anforderungen der Personenidentifikation nach FBI-Standard eine Anzeigeschicht zur Nutzerführung direkt unterhalb der Auflagefläche zulässt, ohne dass insbesondere die örtliche Auflösung der Fingerabdruckbilder abnimmt.The invention has for its object to find a new possibility for the optical direct recording of skin prints of human autopodia, which allows a display layer for user guidance directly below the support surface in the case of high requirements for person identification according to the FBI standard, without in particular the local resolution of the fingerprint images decreasing.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper, der eine Auflagefläche, die durch eine Deckschicht des Schichtkörpers gebildet ist, sowie eine Sensorschicht und eine Lichtquelleneinheit enthält, wobei die Sensorschicht in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente und transparente Bereiche aufweist, dadurch gelöst, dass die Lichtquelleneinheit als Lichtleiterschicht ausgebildet und unterhalb der Sensorschicht angeordnet ist, wobei die Lichtleiterschicht an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED aufweist, dass die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis eines Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und auf Basis von Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Deckschicht eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Deckschicht an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, sowie mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15 ° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen, dass zwischen Deckschicht und Sensorschicht eine erste Adhäsionsschicht sowie zwischen Sensorschicht und Lichtleiterschicht eine zweite Adhäsionsschicht vorhanden sind, wobei die zweite Adhäsionsschicht einen Brechungsindex aufweist, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht und der Sensorschicht ist, deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 1,8 liegen, und die erste Adhäsionsschicht einen Brechungsindex aufweist, der mindestens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht.According to the invention, the object is achieved in a device for the optical direct recording of skin impressions, with a laminate which contains a support surface which is formed by a cover layer of the laminate, as well as a sensor layer and a light source unit, the sensor layer being arranged in a sensor grid, light-sensitive elements and transparent areas has been achieved in that the light source unit is designed as a light guide layer and is arranged below the sensor layer, the light guide layer on a narrow side having light coupling by means of LEDs, that the light guide layer is provided with light decoupling structures which are based on an inclination angle of the light decoupling structures and on the basis of differences of the refractive indices between the neighboring layers of the light guide layer up to the cover layer, a directional light coupling out of the light guide layer at a defined angle, which after passing through of all layers up to the top layer on the contact surface at the transition to air leads to internal total reflection (TIR), as well as with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 °, in order to achieve a high local resolution of the skin print to be recorded, that between top layer and sensor layer a first adhesion layer and a second adhesion layer are present between the sensor layer and the light guide layer, the second adhesion layer having a refractive index which is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer and the sensor layer, whose refractive indices are between 1.45 and 1, 8, and the first adhesive layer has a refractive index that is at least as large as that of the second adhesive layer.

Vorteilhaft weist die LED-Lichteinkopplung eine der LED nachgeordnete Vorkollimationsoptik an der Schmalseite der Lichtleiterschicht auf, mit der in dem jeweils in die Lichtleiterschicht eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen.The LED light coupling advantageously has a precollimation optics arranged downstream of the LED on the narrow side of the light guide layer, with which a horizontal divergence between 2.5 ° and 30 ° is set in the beam bundle coupled into the light guide layer in order to improve the resolution of the skin impression to be recorded to reach.

Dabei ist die Vorkollimationsoptik zweckmäßig ein refraktives optisches Element, das an der Schmalseite der Lichtleiterschicht angeordnet und vorzugsweise in Form einer konvexen oder GRIN-Linse an der Schmalseite der Lichtleiterschicht eingearbeitet ist. In einer anderen bevorzugten Ausführung ist die Vorkollimationsoptik innerhalb der Lichtleiterschicht in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht niedrigerem Brechungsindex ausgebildet.The pre-collimation optics are expediently a refractive optical element which is arranged on the narrow side of the light guide layer and is preferably incorporated in the form of a convex or GRIN lens on the narrow side of the light guide layer. In another preferred embodiment, the pre-collimation optics within the light guide layer are designed in the form of a concave lens made of a medium with a lower refractive index than the light guide layer.

Zweckmäßig ist eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht angeordnet, sodass deren Strahlenbündel aufgrund der horizontalen Divergenz nach einer definierten Einkoppellänge eine angeglichene Lichtintensität in der Lichtleiterschicht bewirken.A plurality of closely adjacent LEDs is expediently arranged along a narrow side of the light guide layer, so that their beam bundles bring about an adjusted light intensity in the light guide layer due to the horizontal divergence after a defined coupling-in length.

Es erweist sich für die Lichteinkopplung weiterhin als vorteilhaft, dass eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED an wenigstens einer durch Einkürzung einer Ecke der Lichtleiterschicht vorhandenen Schmalseite angeordnet ist, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen kompensiert ist. Dabei ist zweckmäßig eine Streuscheibe zwischen LED und Schmalseite der eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel angeordnet, sodass kein Lichtabfall an der eingekürzten Ecke benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht kompensiert werden muss.It has also proven to be advantageous for the light coupling in that a corner light coupling with at least one LED is arranged on at least one narrow side provided by shortening a corner of the light guide layer, with a decrease in the intensity of the divergent beam bundle coupled into the light guide layer due to a growing fill factor of size and density Light decoupling structures is compensated. A diffusing screen is expediently arranged between the LED and the narrow side of the shortened corner of the light guide layer for uniform distribution of the coupled light in all solid angles, so that no light drop on the shortened corner of adjacent narrow sides of the light guide layer has to be compensated for.

Es erweist sich des Weiteren als vorteilhaft, dass der Brechungsindex der ersten Adhäsionsschicht genauso groß ist wie der Brechungsindex der zweiten Adhäsionsschicht, sodass ein Anteil von Störlicht, der infolge von durch Umgebungslicht erzeugter Anregung aus den auf der Auflagefläche aufliegenden Hautbereichen austritt, aufgrund von TIR innerhalb der Deckschicht von einer Ausbreitung in Richtung der Sensorschicht ausgeblendet wird. It also proves to be advantageous that the refractive index of the first adhesive layer is as large as the refractive index of the second adhesive layer, so that a proportion of stray light that emerges from the skin areas lying on the support surface as a result of excitation generated by ambient light is due to TIR inside the cover layer is hidden from spreading in the direction of the sensor layer.

Der Schichtkörper weist bevorzugt ein Display zur Darstellung von Nutzerinformationen auf, das unterhalb des Lichtleiters angelegt ist, wobei das Display ein LCD, OLED, QLED etc. sein kann. Dabei kann das Display an der Unterseite der Lichtleiterschicht entweder abnehmbar ohne Klebstoffschicht oder mittels einer weiteren niedrigbrechenden Adhäsionsschicht mit einem Brechungsindex, der höchstens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht, befestigt sein, damit Streulicht oder an der Rückseite der Sensorschicht reflektiertes Licht vom Display absorbiert werden kann. Dadurch ist die Lichtleiterschicht unabhängiger von dem Reflexionsanteil der Sensorschicht und kann stets gleiche Lichtauskoppelstrukturen aufweisen. Des Weiteren wird der Schichtkörper durch die Verklebung des massiven Displays mechanisch stabiler.The laminate preferably has a display for displaying user information, which is applied below the light guide, the display being an LCD, OLED, QLED etc. The display can be attached to the underside of the light guide layer either detachably without an adhesive layer or by means of another low-index adhesive layer with a refractive index that is at most as large as that of the second adhesive layer, so that scattered light or light reflected on the back of the sensor layer absorbs from the display can be. As a result, the light guide layer is more independent of the reflection component of the sensor layer and can always have the same light output structures. Furthermore, the laminated body becomes mechanically more stable through the gluing of the massive display.

Außerdem kann das Display als zusätzliche Leuchtschicht zur Beleuchtung von Dokumenten eingesetzt werden, um zusätzlich zu der durch Restdivergenz vom TIR-Winkelbereich bereitgestellten Beleuchtung der Lichtleiterschicht Licht für die Dokumentenbeleuchtung zur Verfügung zu stellen.In addition, the display can be used as an additional luminescent layer for illuminating documents in order to provide light for document illumination in addition to the illumination of the light guide layer provided by residual divergence from the TIR angular range.

Die Lichteinkopplung enthält zweckmäßig mehrere mit einem Mittenabstand zwischen 1 mm und 10 mm dicht gepackte LEDs, die so definiert vorkollimiert sind, dass nach einer Einkoppellänge von mindestens 2 mm die LEDs überlappende Lichtabstrahlungskegel aufweisen, um eine homogene Ausleuchtung zu erzeugen. Der Mittenabstand der LEDs beträgt bevorzugt 3-6 mm mit vorzugsweise einer Halbwertsbreite (FWHM) der Abstrahlung von 10° bzw. einer Divergenz von ≤ +/-5°, wobei die Einkoppellänge bevorzugt 2-20 mm beträgt.The light coupling expediently contains a plurality of LEDs densely packed with a center distance between 1 mm and 10 mm, which are pre-collimated in such a way defined that after a coupling-in length of at least 2 mm, the LEDs have overlapping light radiation cones in order to produce a homogeneous illumination. The center distance of the LEDs is preferably 3-6 mm with preferably a half-width (FWHM) of the radiation of 10 ° or a divergence of genz +/- 5 °, the coupling length preferably being 2-20 mm.

In einer speziellen Ausführung der Erfindung sind die Lichtauskoppelstrukturen vorteilhaft so ausgebildet, dass nur zwischen 50% und 95% des aus der Lichtleiterschicht ausgekoppelten Beleuchtungslichts beim Übergang zu Luft an der Auflagefläche in der Deckschicht totalreflektierter Lichtanteil sind, während ein verbleibender restlicher Lichtanteil zur Beleuchtung von Dokumenten nutzbar ist.In a special embodiment of the invention, the light decoupling structures are advantageously designed in such a way that only between 50% and 95% of the illuminating light decoupled from the light guide layer are totally reflected light components on the contact surface in the cover layer while transitioning to air, while a remaining remaining light component for illuminating documents is usable.

Zweckmäßig weist Lichtleiterschicht einen Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen auf, gebildet durch Größe und Abstände der Lichtauskoppelstrukturen, der für jede Stelle der Lichtleiterschicht mindestens so groß ist, dass die Lichtauskoppelstrukturen in einem aufzunehmenden Abdruckbild von Hautbereichen nicht sichtbar sind. Dabei weisen die Lichtauskoppelstrukturen vorzugsweise einen Abstand s auf, der sehr viel kleiner ist als eine resultierende Strahldivergenz der Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht. Des Weiteren weist die Lichtleiterschicht eine hohe Transparenz auf, sodass die Trübung weniger als 20 % beträgt.The light guide layer expediently has a fill factor of the light outcoupling structures, formed by the size and spacing of the light outcoupling structures, which is at least so large for each point of the light guide layer that the light outcoupling structures are not visible in an imprint image of skin areas to be recorded. The light outcoupling structures are preferably at a distance s which is very much smaller than a resulting beam divergence of the light outcoupling structures of the light guide layer. Furthermore, the light guide layer has a high transparency, so that the haze is less than 20%.

In einer weiteren vorteilhaften Gestaltung ist unter der transparenten Lichtleiterschicht eine weitere transparente Lichtleiterschicht angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht, die einen niedrigen Brechungsindex wie die erste und zweite Adhäsionsschicht aufweist, verbunden.In a further advantageous embodiment, a further transparent light guide layer is attached under the transparent light guide layer and connected to it by a further adhesion layer which has a low refractive index like the first and second adhesion layers.

Dabei erweist sich eine erste Variante als zweckmäßig, bei der die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung an gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers aufweisen, um auf die weitere Lichtleiterschicht zurückzugreifen, falls das mit der primären Lichtleiterschicht aufgenommene Bild eines Hautbereiches qualitativ schlecht ist (Defektspalten, Pixel, nasser Finger, trockener Finger, ...), wofür ein zweites mit der weiteren Lichtleiterschicht aufgenommenes Bild, das zum ersten Bild verschoben ist, einzeln verwendet oder mit dem ersten Bild (unter Berücksichtigung eines vorhandenen Versatzes) fusioniert werden kann.In this case, a first variant proves to be expedient, in which the light guide layer and the further light guide layer have the light coupling on opposite narrow sides of the layer body in order to fall back on the further light guide layer if the image of a skin area recorded with the primary light guide layer is of poor quality (defect columns, pixels , wet finger, dry finger, ...), for which a second image recorded with the further light guide layer, which is shifted to the first image, can be used individually or fused with the first image (taking into account an existing offset).

In einer zweiten vorteilhaften Variante kann die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung an derselben Schmalseite des Schichtkörpers haben und Lichtauskoppelstrukturen mit gleicher Ausrichtung aufweisen, wobei die Lichtleiterschicht und die weitere Lichtleiterschicht Lichtauskoppelstrukturen mit derart unterschiedlichen Neigungswinkeln ε aufweisen können, soweit diese unterschiedlichen Neigungswinkel ε jeweils Beleuchtungswinkel β erzeugen, die an der Auflagefläche zu Totalreflexion führen. Dies ist für die Effizienz des Systems interessant, wenn beide Lichtleiterschichten quasi-parallel betrieben werden und das Licht aber an unterschiedlichen Stellen auskoppelt, wodurch höhere Lichtintensitäten zur Beleuchtung des aufliegenden Hautbereichs möglich sind. Weitere Lichtleiterschichten mit entsprechenden LED-Arrays z. B. zur Beleuchtung bestimmter begrenzter Bereiche sind ebenfalls vorteilhaft realisierbar, z. B. um Dokument und Finger gleichzeitig zu beleuchten.In a second advantageous variant, the light guide layer and the further light guide layer can have the light coupling in on the same narrow side of the layer body and have light decoupling structures with the same orientation, the light guide layer and the further light guide layer having light decoupling structures with such different inclination angles ε can have, as far as these different inclination angles ε each lighting angle β generate that lead to total reflection on the contact surface. This is interesting for the efficiency of the system if both light guide layers are operated quasi-parallel and the light is coupled out at different points, which enables higher light intensities to illuminate the skin area on top. Additional light guide layers with corresponding LED arrays z. B. for lighting certain limited areas can also be advantageously implemented, z. B. to illuminate the document and fingers at the same time.

Die Erfindung basiert auf der Grundüberlegung, dass beim Zusammenführen der Funktionen von Fingerabdruckaufnahme und Dokumentenaufnahme in einem Gerät, das darüber hinaus auch Anzeigefunktionen zur Nutzerführung in der Auflagefläche implementieren soll, in der Regel die Lichtintensität der Hautabdrücke unzureichend wird oder die Auflösung und der Kontrast der Aufnahmen nicht mehr dem geforderten FBI-Standard entspricht. Die Erfindung löst diese Probleme, indem eine Lichtleiterschicht unterhalb einer semitransparenten Sensorschicht angeordnet ist und an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht die Lichteinkopplung mittels LED erfolgt, wobei die Lichtleiterschicht mit Lichtauskoppelstrukturen versehen ist, die auf Basis des Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen und der Brechzahlunterschiede zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht bis zur Deckschicht eine gerichtete Lichtauskopplung unter einem definierten Winkel, der an der Auflagefläche beim Übergang zu Luft zur TIR mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° führt, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen. Durch zur Lichtleiterschicht angepasste Brechungsindizes der Adhäsionsschichten und Nachbarschichten kann die Lichtauskopplung gezielt weiter verbessert werden.The invention is based on the basic idea that when the functions of fingerprint recording and document recording are combined in one device, which is also intended to implement display functions for user guidance in the support surface, the light intensity of the skin prints generally becomes insufficient or the resolution and contrast of the images no longer meet the required FBI standard. The invention solves these problems in that a light guide layer is arranged below a semitransparent sensor layer and the light is coupled in by means of LEDs on a narrow side of the light guide layer, the light guide layer being provided with light decoupling structures which are based on the angle of inclination of the light decoupling structures and the refractive index differences between the adjacent layers of the light guide layer up to the top layer, directional light decoupling at a defined angle, which leads to a small divergence angle range of ≤ +/- 15 ° on the contact surface at the transition to air to TIR in order to achieve a high local resolution of the skin impression to be taken. The decoupling of light can be further improved in a targeted manner by means of refractive indices of the adhesive layers and neighboring layers that are adapted to the light guide layer.

Mit der Erfindung ist es möglich, Hautabdrücke menschlicher Autopodien mittels eines optischen Direktscanners mit hoher Qualität nach FBI-Standards aufzunehmen und außerdem Informationen zur Nutzerführung mittels eines Displays unterhalb der Auflagefläche und der Sensorfläche anzuzeigen, ohne dass dabei eine Verschlechterung der örtlichen Auflösung der Hautabdruckbilder einhergeht.With the invention, it is possible to record skin imprints of human autopodia by means of an optical direct scanner with high quality according to FBI standards and also to display information on user guidance by means of a display below the contact surface and the sensor surface, without this leading to a deterioration in the local resolution of the skin imprint images.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

  • 1: eine prinzipielle Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Schichtkörper, enthaltend eine Deckschicht mit Auflagefläche für aufzunehmende Objekte, eine Sensorschicht und eine Lichtleiterschicht als Lichtquelle,
  • 2: eine vorteilhafte Ausführung der Erfindung mit einem Display zur Nutzerführung, das unterhalb des in 1 gezeigten Aufbaus angeordnet ist, wobei über den Sensorelementen eine zusätzliche Blendenschicht zur Verminderung des Lichteinfalls von mehreren Querorten auf ein und dasselbe Sensorelement vorhanden ist,
  • 3a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Unterseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen,
  • 3b: einen Ausschnitt des Schichtkörpers mit speziellen Lichtauskoppelstrukturen an der Oberseite der Lichtleiterschicht zur Auskopplung von Strahlenbündeln, die die Auflagefläche unter einem Totalreflexionswinkel erreichen,
  • 3c: zwei Abschnitte der Lichtleiterschicht mit unterschiedlich geformten Lichtauskoppelstrukturen der Lichtleiterschicht von 3b in einer Draufsicht, bei der die Lichtauskoppelstrukturen in Richtung des Lichteinfalls ansteigende Vierecksflächen, wie z. B. Trapeze, Rechtecke, sind,
  • 4a: einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß der Ausführung von 3a mit einer vergrößerten keilförmigen Lichtauskoppelstruktur und Darstellung eines repräsentativen Strahlenverlaufs, der an der Lichtauskoppelstruktur zur Auflagefläche hin ausgekoppelt wird und letztere unter einem Totalreflexionswinkel erreicht,
  • 4b: eine zu 4a erstellte Darstellung des Lichtleitwinkels des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts über dem Neigungswinkel der keilförmigen Struktur, um die Abhängigkeit des Strahlverlaufs durch die Grenzflächen des Schichtkörpers aufgrund unterschiedlichen Brechungsverhaltens als Zustandsdiagramm aufzuzeigen,
  • 5: einen Ausschnitt des Schichtkörpers gemäß 1 mit aufgelegtem Finger unter Einwirkung von Umgebungslicht (Sonne), das bei dieser Ausführung innerhalb der Deckschicht durch Totalreflexion von den Sensorelementen der Sensorschicht ferngehalten, d.h. ausgeblendet wird,
  • 6: eine besondere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der unterhalb der Sensorschicht zwei Lichtleiterschichten unmittelbar übereinander und oberhalb eines darunter angeordneten Displays vorhanden sind,
  • 7: eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, die eine zusätzliche Spektralfilterschicht über der Sensorschicht und eine zusätzliche Substratschicht zwischen Sensorschicht und Lichtleiterschicht aufweist,
  • 8: eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung, bei der infolge von Lichtauskoppelstrukturen mit angepassten Neigungswinkeln für TIR-Aufnahmen von Hautabdrücken und angepassten Neigungswinkeln zur Aufnahme von Dokumenten möglich ist, 9: mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (a) unkollimierte LEDs eingekoppel sind, wobei jeder Objektpunkt mehrere Bildpunkte erzeugt, (b) herstellerseitig vorkollimierte LEDs unmittelbar einstrahlen, (c) LEDs mit einer zwischengeordneten Vorkollimationsoptik einkoppeln, (d) LEDs über in der Lichtleiterschicht eingebettete Vorkollimationsoptiken einstrahlen und (e) LEDs unterschiedlicher Wellenlängen zur alternativen spektralen Beleuchtung abwechselnd angeordnet sind,
  • 10: eine Darstellung von dicht gepackten, vorkollimiert eingekoppelten LEDs zur Erläuterung der erreichbaren Beleuchtungshomogenität in Abhängigkeit von Mittenabstand der LEDs und Einkoppellängen der Strahlenbündel,
  • 11: mehrere vorteilhafte Ausführungsformen der Lichteinkopplung in die Lichtleiterschicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei denen an einer eingekürzten Ecke der Lichtleiterschicht eine Eckenbeleuchtung (a) mit einer unkollimierten LED realisiert ist, wobei jeder Objektpunkt (in horizontaler Richtung) genau einen Bildpunkt erzeugt, (b) zwei LEDs mit dazwischen angeordneter Streuscheibe und (c) mit einer unkollimierten LED, wobei die eingekürzte Ecke der Lichtleiterschicht eine angepasst gekrümmte Einkopplungsfläche aufweist.
The invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments. The drawings show:
  • 1 a basic embodiment of the device according to the invention with a laminated body, comprising a cover layer with a supporting surface for objects to be recorded, a sensor layer and a light guide layer as light source,
  • 2nd : an advantageous embodiment of the invention with a display for user guidance, which is below the in 1 The structure shown is arranged, with an additional diaphragm layer above the sensor elements to reduce the incidence of light from several transverse locations on one and the same sensor element,
  • 3a a section of the laminated body with special light coupling structures on the underside of the light guide layer for coupling out beams that reach the contact surface at a total reflection angle,
  • 3b : a section of the laminate with special light coupling structures on the top of the light guide layer for coupling out beams that reach the contact surface at a total reflection angle,
  • 3c : two sections of the light guide layer with differently shaped light coupling structures of the light guide layer from 3b in a plan view, in which the light decoupling structures rising in the direction of light incidence quadrangular surfaces, such as. B. trapezoids, rectangles,
  • 4a : a section of the laminate according to the execution of 3a with an enlarged wedge-shaped light decoupling structure and representation of a representative beam path, which is decoupled at the light decoupling structure towards the support surface and reaches the latter at a total reflection angle,
  • 4b : one too 4a created representation of the light guide angle of the light guided in the light guide layer over the angle of inclination of the wedge-shaped structure in order to show the dependence of the beam path through the interfaces of the layer body due to different refractive behavior as a state diagram,
  • 5 : a section of the laminate according to 1 with the finger placed on it under the influence of ambient light (sun), which in this embodiment is kept away from the sensor elements of the sensor layer by total reflection within the cover layer, ie is hidden,
  • 6 a special embodiment of the device according to the invention, in which there are two light guide layers directly above one another and above a display arranged underneath the sensor layer,
  • 7 a further advantageous embodiment of the invention, which has an additional spectral filter layer over the sensor layer and an additional substrate layer between the sensor layer and the light guide layer,
  • 8th a particularly advantageous embodiment of the invention, in which, as a result of light decoupling structures with adapted inclination angles for TIR images of skin prints and adapted inclination angles for accommodating documents, it is possible, 9 : Several advantageous embodiments of the light coupling into the light guide layer of the device according to the invention, in which (a) uncollimated LEDs are coupled in on a narrow side of the light guide layer, each object point producing several pixels, (b) LEDs pre-collimated by the manufacturer, (c) LEDs with one Coupling intermediate precollimation optics, (d) illuminating LEDs via precollimation optics embedded in the light guide layer and (e) LEDs different wavelengths are alternately arranged for alternative spectral illumination,
  • 10th : a representation of tightly packed, pre-collimated coupled LEDs to explain the achievable lighting homogeneity depending on the center distance of the LEDs and the coupling lengths of the beams,
  • 11 : Several advantageous embodiments of the coupling of light into the light guide layer of the device according to the invention, in which corner lighting (a) is realized with an uncollimated LED at a shortened corner of the light guide layer, each object point (in the horizontal direction) producing exactly one pixel, (b) two LEDs with a diffusing screen arranged between them and (c) with an uncollimated LED, the shortened corner of the light guide layer having an adapted curved coupling surface.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst in einem Grundaufbau - wie in 1 dargestellt - einen Schichtkörper 1 der beginnend von einer Auflagefläche 11 für die aufzunehmenden Objekte (Finger 2 oder Dokument 3, nicht gezeichnet) eine Deckschicht 12, deren äußere Oberfläche die Auflagefläche 11 bereitstellt, eine Sensorschicht 13 mit lichtempfindlichen Sensorelementen 131, die eine definierte Teiltransparenz für das Licht der darunter liegenden flächigen Lichtquelleneinheit 14, die in Form einer Lichtleiterschicht 141 ausgebildet ist und an der an wenigstens einer Schmalseite eine oder mehrere LEDs 142 als Lichtquellen aufweist, die zur Einkopplung von mehr oder weniger gut vorkollimiertem Licht vorgesehen sind. Zwischen der Deckschicht 12 des Schichtkörpers 1 und der Sensorschicht 13 ist eine Klebstoffschicht in Form einer ersten Adhäsionsschicht 15 und zwischen Sensorschicht 13 und Lichtleiterschicht 141 ist eine zweite Adhäsionsschicht 16 als Klebstoffschicht eingebracht. Dabei weist die zweite Adhäsionsschicht 16 einen Brechungsindex auf, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13 ist, wobei deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 1,8 liegen, und die erste Adhäsionsschicht 15 weist einen Brechungsindex auf, der mindestens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht 16.The device according to the invention comprises in a basic structure - as in 1 shown - a laminate 1 starting from a support surface 11 for the objects to be recorded (fingers 2nd or document 3rd , not shown) a top layer 12th whose outer surface is the contact surface 11 provides a sensor layer 13 with light-sensitive sensor elements 131 , which has a defined partial transparency for the light of the underlying light source unit 14 that in the form of a light guide layer 141 is formed and on one or more LEDs on at least one narrow side 142 has as light sources, which are provided for coupling in more or less well pre-collimated light. Between the top layer 12th of the laminate 1 and the sensor layer 13 is an adhesive layer in the form of a first adhesive layer 15 and between the sensor layer 13 and light guide layer 141 is a second layer of adhesion 16 introduced as an adhesive layer. The second adhesive layer has 16 a refractive index that is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer 141 and the sensor layer 13 with a refractive index between 1.45 and 1.8, and the first adhesive layer 15 has a refractive index that is at least as large as that of the second adhesive layer 16 .

Das von der(n) LED 142 abgestrahlte Licht wird aufgrund der Lichtleitereigenschaften der Lichtleiterschicht 141 unter einem Lichtleitwinkel α weitergeleitet. Wegen der noch weiter unten detailliert erläuterten Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 werden Anteile des in der Lichtleiterschicht 141 mit dem Lichtleitwinkel α propagierenden Lichts unter einem definierten Winkel so ausgekoppelt, dass nach Durchlaufen aller Schichten des Schichtkörpers 1 bis zur Deckschicht 12 an der Auflagefläche 11 beim Übergang zu Luft ein Beleuchtungswinkel β für interne Totalreflexion (TIR) eingestellt ist, wobei die Lichtauskoppelstrukturen 141 eine Auskopplung von Lichtstrahlen mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks zu erreichen.That of the (n) LED 142 radiated light is due to the light guide properties of the light guide layer 141 at a light guiding angle α forwarded. Because of the light decoupling structures explained in detail below 144 the light guide layer 141 are portions of the in the light guide layer 141 with the light guide angle α propagating light at a defined angle so that after passing through all layers of the laminate 1 to the top layer 12th on the contact surface 11 an angle of illumination at the transition to air β is set for internal total reflection (TIR), the light decoupling structures 141 allow decoupling of light beams with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 ° in order to achieve a high local resolution of the skin impression to be recorded.

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die oben definieren Brechungsindizes, die geringfügig von dem der Lichtleiterschicht 141 abweichen sollen, genau dann ihre Bedeutung verlieren, wenn die Dicke der Adhäsionsschichten sich der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge annähern. In jenem speziellen Fall nimmt das Licht die Adhäsionsschichten nicht wahr und es gelten die Brechungsindizes der darauffolgenden Schichten, welche die Lichtbrechung beziehungsweise Totalreflexion definieren.It should be mentioned at this point that the refractive indices defined above are slightly different from that of the light guide layer 141 should deviate, lose their meaning if and only if the thickness of the adhesive layers approaches the order of magnitude of the light wavelength used. In that particular case, the light does not perceive the adhesive layers and the refractive indices of the subsequent layers apply, which define the refraction of light or total reflection.

In 2 ist eine gegenüber 1 erweiterte Ausführung der Vorrichtung gezeigt, die unterhalb der Lichtleiterschicht 141 ein Display 17 aufweist. Das Display 17 kann an der Lichtleiterschicht 141 entweder abnehmbar (ohne Klebstoffschicht) angeklemmt, eingespannt oder auf andere ähnliche Weise befestigt sein. Gezeigt ist jedoch in 2 eine Ausführung mit einer weiteren Adhäsionsschicht 18, die einen mit der zweiten Adhäsionsschicht 16 vergleichbar niedrigen Brechungsindex aufweist und die das Display 17 mit der Lichtleiterschicht 141 dauerhaft verklebt.In 2nd is one opposite 1 extended version of the device shown below the light guide layer 141 a display 17th having. the display 17th can on the light guide layer 141 either detachably (without adhesive layer) clamped, clamped in or attached in some other similar way. However, is shown in 2nd a version with another adhesive layer 18th that one with the second adhesive layer 16 comparably low refractive index and which the display 17th with the light guide layer 141 permanently glued.

Die Adhäsionsschichten 15, 16, 18 sind für mindestens Anteile von Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 und eines optionalen unter der Lichtleiterschicht 141 anliegenden Displays 17 transparent. Hierbei kann es sich um ein optisch transparentes doppelseitig haftenden Klebeband (OCA) oder einen flüssigen Klebstoff, der beispielsweise über Wärme oder UV-Strahlung ausgehärtet wurde, handeln (LOCA). Diese Klebstoffe können zum Beispiel Silikone, Acrylat, Epoxide sein.The adhesive layers 15 , 16 , 18th are for at least portions of illuminating light from the light guide layer 141 and an optional one under the light guide layer 141 adjacent displays 17th transparent. This can be an optically transparent double-sided adhesive tape (OCA) or a liquid adhesive that has been cured, for example, using heat or UV radiation (LOCA). These adhesives can be, for example, silicones, acrylate, epoxies.

Als Lichtleiterschicht 141 kommen Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Glas oder andere optisch transparente Werkstoffe mit einem Brechungsindex n ~ 1,5 zum Einsatz. Es können aber auch weitere Materialien mit einem Brechungsindex zwischen 1,45 und 2,0 als Lichtleiterschicht 141 zum Einsatz kommen. Der lichtleitende Effekt an den Stellen der Lichtleiterschicht 141 ohne Lichtauskoppelstrukturen 144 wird durch den Unterschied der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 sowie zweiter und weiterer Adhäsionsschicht 16, 18 realisiert.As a light guide layer 141 polycarbonate (PC), polymethyl methacrylate (PMMA), glass or other optically transparent materials with a refractive index n ~ 1.5 are used. However, other materials with a refractive index between 1.45 and 2.0 can also be used as the light guide layer 141 are used. The light-guiding effect at the points of the light-guiding layer 141 without light decoupling structures 144 is determined by the difference in the refractive indices between the light guide layer 141 as well as second and further adhesive layers 16 , 18th realized.

Die Sensorschicht 13 weist in einem Raster angeordnete lichtempfindliche Elemente 131 mit einer Auflösung von 100 ppi bis 1000 ppi auf und gibt je nach detektierter Lichtintensität elektronische Signale weiter, die in ein Grauwertbild umgewandelt werden. Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 sind Fotodioden mit einer definierten Sensitivität für einen bestimmten Spektralbereich des Lichts. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sensitivität der lichtempfindlichen Elemente 131 auf das emittierte Beleuchtungslicht der Lichtleiterschicht 141 spektral angepasst, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) zu erhöhen.The sensor layer 13 has photosensitive elements arranged in a grid 131 With a resolution of 100 ppi to 1000 ppi and, depending on the light intensity detected, passes on electronic signals that are converted into a gray value image. The photosensitive elements 131 the sensor layer 13 are photodiodes with a defined sensitivity for a certain spectral range of light. In a preferred embodiment, the sensitivity of the photosensitive elements 131 on the emitted illuminating light of the light guide layer 141 spectrally adjusted to increase the signal-to-noise ratio (SNR).

Es sei darauf hingewiesen, dass alle vorstehenden Angaben zu den Materialien und Parametern der Adhäsionsschichten 15, 16 und 18, der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13 auch für alle anderen beschriebenen Anordnungen gelten.It should be noted that all of the above information regarding the materials and parameters of the adhesive layers 15 , 16 and 18th , the light guide layer 141 and the sensor layer 13 also apply to all other arrangements described.

Infolge der Teiltransparenz der Sensorschicht 13, bei der die Transparenz vorteilhaft dadurch erreicht wird, dass jedes Sensorelement 131 innerhalb des regelmäßigen Pixelrasters der Sensorschicht 13 einen transparenten Bereich 132 beinhaltet, können Anweisungen oder andere Nutzerinformationen mit ausreichend hoher Intensität an der Auflagefläche 11 der Deckschicht 12 vom Nutzer der Vorrichtung gesehen werden.As a result of the partial transparency of the sensor layer 13 , in which the transparency is advantageously achieved in that each sensor element 131 within the regular pixel grid of the sensor layer 13 a transparent area 132 includes instructions or other user information with sufficient intensity on the support surface 11 the top layer 12th can be seen by the user of the device.

Durch den über die gesamte Sensorschicht 13 gleichmäßig vorliegenden definierten Füllfaktor von nichttransparenten Sensorelementen 131 und transparenten Bereichen 132 kann die Information des Displays 17 auch ohne Verzerrungen, Trübung oder Farbeinschränkungen angezeigt werden.Through the entire sensor layer 13 evenly existing defined fill factor of non-transparent sensor elements 131 and transparent areas 132 can display the information 17th can also be displayed without distortion, cloudiness or color restrictions.

Um die Auflösung eines aufgenommenen Hautabdrucks 21 zu verbessern und außerdem den Einfluss von Störlicht 4 (nur in 5 gezeigt), das aus Umgebungslicht oder dem internen Licht des Displays 17 resultiert, zu verringern, ist in der bevorzugten Ausführungsform von 2 über den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 eine Blendenschicht 133 zur Beschränkung des detektierbaren Winkelbereichs jedes lichtempfindlichen Elements 131 angeordnet. Auf diese Weise wird der Einfluss von horizontaler und vertikaler Divergenz des Beleuchtungslichts verringert und in der Folge lassen sich dickere Deckschichten 12 oder zusätzliche Substratschichten 172 bei gleichbleibender Auflösung verwenden, um beispielsweise Schutz und/oder Stabilität des Schichtkörpers 1 und der gesamten Vorrichtung zu verbessern.The resolution of a recorded skin print 21 to improve and also the influence of stray light 4th (only in 5 shown) that from ambient light or the internal light of the display 17th in the preferred embodiment of 2nd over the photosensitive elements 131 the sensor layer 13 an aperture layer 133 to limit the detectable angular range of each photosensitive element 131 arranged. In this way, the influence of horizontal and vertical divergence of the illuminating light is reduced and, as a result, thicker cover layers can be created 12th or additional substrate layers 172 use with constant resolution, for example protection and / or stability of the laminate 1 and improve the entire device.

Zum effektiven Blockieren von Störlicht oder Beleuchtungswinkeln, die nicht detektiert werden sollen, sind nichttransparente Blendenmaterialien notwendig. Bevorzugt sind für die einzelnen Blenden in der Blendenschicht 133 Materialien, die aufgrund ihrer guten Strukturierbarkeit in photolithographischen Beschichtungsprozessen Verwendung finden, beispielsweise Metalle wie Chrom, Aluminium, Gold, Molybdän, Kupfer, Silber, Silizium. Aufgrund der Reflexionseigenschaften dieser Materialien kann es jedoch an den Oberflächen der Blenden zu unerwünschten Reflexionen kommen, die sich einschränkend auf den Kontrast der Bildaufnahme auswirken, das Rauschen erhöhen oder Doppelbilder erzeugen. Deshalb werden bevorzugt absorbierende organische Materialien, wie z. B. Polytetrafluorethylen, und absorbierende anorganische Materialien, wie diamantähnliche Kohlenstoffschichten, schwarzes Chrom, Kupfer-Indium-Disulfid, oder Materialien mit spezieller Mikrostruktur eingesetzt. Besonders bevorzugt sind Materialien, die sich über Druckverfahren, z. B. per Siebdruck, als strukturierte Blendenschicht 133 über den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 aufbringen lassen, da diese schnell, flexibel sowie kostengünstig herstellbar sind. In Druckverfahren werden hierfür vornehmlich organische Materialien verwendet.In order to effectively block stray light or lighting angles that should not be detected, non-transparent aperture materials are necessary. Are preferred for the individual diaphragms in the diaphragm layer 133 Materials that are used in photolithographic coating processes due to their good structurability, for example metals such as chromium, aluminum, gold, molybdenum, copper, silver, silicon. However, due to the reflective properties of these materials, undesirable reflections can occur on the surfaces of the diaphragms, which restrict the contrast of the image recording, increase noise or generate double images. Therefore, absorbent organic materials such as. B. polytetrafluoroethylene, and absorbent inorganic materials, such as diamond-like carbon layers, black chrome, copper indium disulfide, or materials with a special microstructure. Particularly preferred are materials that can be printed, e.g. B. by screen printing, as a structured diaphragm layer 133 over the photosensitive elements 131 the sensor layer 13 can be applied, as these can be produced quickly, flexibly and inexpensively. Organic materials are primarily used for this in printing processes.

Die lichtempfindlichen Elemente 131 der Sensorschicht 13 verfügen in einer weiteren Ausführungsform über eine elektronische Steuereinheit zur Steuerung der Belichtungszeit (nicht gezeichnet), z.B. als Rolling-Shutter oder als Global-Shutter, wie sie in der US 2017/0085813 A1 offenbart ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass die Belichtungszeit und somit die Integrationszeit der lichtempfindlichen Elemente 131 an die verschiedenen Helligkeiten des Displays 17 und von Umgebungslicht angepasst werden kann, die im Anwendungsszenario der erfindungsgemäßen Vorrichtung vom Nutzer oder durch unterschiedliche Umgebungslichtbedingungen variiert. Durch diese elektronische Shuttersteuerung muss das Display 17 während der Aufnahme von Hautabdrücken 21 nicht zwingend ausgeschaltet werden und die Aufnahme von kontrastreicheren Hautabdrücken 21 wird trotzdem ermöglicht.The photosensitive elements 131 the sensor layer 13 in a further embodiment have an electronic control unit for controlling the exposure time (not shown), for example as a rolling shutter or as a global shutter, as described in the US 2017/0085813 A1 is disclosed. This enables the exposure time and thus the integration time of the photosensitive elements 131 the different brightness of the display 17th and can be adapted by ambient light, which varies in the application scenario of the device according to the invention by the user or by different ambient light conditions. The display has to be controlled by this electronic shutter control 17th while taking skin prints 21 not necessarily be switched off and the inclusion of higher contrast skin prints 21 is still possible.

3a zeigt eine Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141, wobei beispielhaft mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 mit einem einen Neigungswinkel ε gezeichnet sind. Trifft das in der Lichtleiterschicht 141 unter dem Lichtleitwinkel α geführte Licht auf eine Lichtauskoppelstruktur 144 mit dem Neigungswinkel ε, ergibt sich ein Reflexionswinkel ϕ zum Lot der Lichtauskoppelstruktur 144, wobei gilt: ϕ = α - ε. Das an der Lichtauskoppelstruktur 144 reflektierte Strahlenbündel kann nun durch seine Winkeländerung nicht mehr an der zweiten Adhäsionsschicht 16 totalreflektiert werden, sondern durchläuft diese sowie die darüber liegende Sensorschicht 13, die ersten Adhäsionsschicht 15 und die Deckschicht 12. In Abhängigkeit des Brechungsindex der Deckschicht 12 weist das an die Auflagefläche 11 treffende Beleuchtungslicht einen Beleuchtungswinkel β auf, der an der Auflagefläche 11 (Grenzfläche zu Luft) das Beleuchtungslicht totalreflektiert und eine Aufnahme von Hautabdrücken 21 (nicht gezeichnet) nach dem Prinzip der gestörten internen Totalreflexion (FTIR oder kurz: TIR) ermöglicht. 3a shows an embodiment of the laminate 1 in the side view with an enlarged view of the light guide layer 141 , with several light coupling structures as an example 144 at the bottom of the light guide layer 141 with a tilt angle ε are drawn. Is this true in the light guide layer 141 under the light guide angle α led light onto a light decoupling structure 144 with the angle of inclination ε , there is a reflection angle ϕ to the perpendicular of the light decoupling structure 144 , where: ϕ = α - ε . That at the light decoupling structure 144 reflected beam can no longer on the second adhesive layer due to its change in angle 16 are totally reflected, but passes through them and the sensor layer above them 13 , the first layer of adhesion 15 and the top layer 12th . Depending on the refractive index of the top layer 12th indicates this to the contact surface 11 hitting illuminating light an illuminating angle β on that on the bearing surface 11 (Interface with air) the illuminating light is totally reflected and a picture of skin prints 21 (not shown) according to the principle of disturbed total internal reflection (FTIR or short: TIR).

3b zeigt eine weitere Ausführungsform des Schichtkörpers 1 in der Seitenansicht mit einer vergrößerten Darstellung der Lichtleiterschicht 141, wobei in diesem Beispiel mehrere Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 vorhanden sind. Die Lichtauskoppelstrukturen 144 sind dabei so ausgebildet, dass in der Lichtleiterschicht 141 geführtes Licht beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstrukturen 144 ein erstes Mal an der Grenzfläche zur darüber liegenden zweiten Adhäsionsschicht 16 und ein zweites Mal an der Grenzfläche zur Sensorschicht 13 unter einem definierten Brechungswinkel γ aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Deckschicht 12 auskoppelt. Hierbei wird der Hauptstrahl des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts mit dem Winkel α inklusive einer Divergenz beim Auftreffen auf die Lichtauskoppelstruktur 144 ausgekoppelt, wobei keine weitere Einschränkung der Divergenz durch den Neigungswinkel ε (nicht gezeichnet) der Lichtauskoppelstrukturen 144 erfolgt. Dies macht zwar die Lichtauskopplung hinsichtlich der Lichtintensität effizienter, jedoch ist die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Strahlenbündels größer als bei 3a, was eine verringerte Auflösung zur Folge haben kann. Ebenfalls ist die maximal mögliche Änderung des Winkels zwischen α und β niedriger als bei 3a. 3b shows a further embodiment of the laminate 1 in the side view with an enlarged view of the light guide layer 141 , in this example several light coupling structures 144 at the top of the light guide layer 141 available. The light decoupling structures 144 are designed so that in the light guide layer 141 guided light when hitting the light decoupling structures 144 a first time at the interface with the second adhesive layer above 16 and a second time at the interface with the sensor layer 13 at a defined angle of refraction γ from the light guide layer 141 towards the top layer 12th uncouples. Here, the main beam is in the light guide layer 141 led light with the angle α including a divergence when hitting the light decoupling structure 144 decoupled, with no further restriction of the divergence by the angle of inclination ε (not shown) of the light decoupling structures 144 he follows. Although this makes the light decoupling more efficient in terms of light intensity, the vertical divergence of the decoupled beam is greater than in the case of 3a , which can result in reduced resolution. The maximum possible change in the angle is also between α and β lower than at 3a .

Zur Art und Form der Lichtauskoppelstrukturen 144 im Material der Lichtleiterschicht 141 sind zwei Beispiele der Formgebung und Verteilung für einen Ausschnitt der Lichtleiterschicht 141 in 3c als Draufsichten zur Darstellung der Lichtauskoppelstruktur nach 3a und 3b gezeichnet. Außer den gezeigten Formen von Rechtecken und Trapezen sind aber auch Dreiecke, Kreissektoren bzw. Kreisabschnitte oder Abschnitte von Ellipsen geeignet.The type and shape of the light decoupling structures 144 in the material of the light guide layer 141 are two examples of the shape and distribution for a section of the light guide layer 141 in 3c as top views to illustrate the light decoupling structure 3a and 3b drawn. In addition to the shapes of rectangles and trapezoids shown, triangles, circular sectors or circular sections or sections of ellipses are also suitable.

4a und 4b zeigen die Zusammenhänge für die Ausführungsform in 3a zwischen dem Lichtleitwinkel α, dem Beleuchtungswinkel β, dem Reflexionswinkel ϕ, dem Austrittswinkel δ und dem Neigungswinkel ε. In Abhängigkeit von den Unterschieden der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und den angrenzenden Adhäsionsschichten 16 und 18 definieren sich Vorzugswinkel (Austrittswinkel δ), unter denen Beleuchtungslicht aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelt wird. Hierzu ist in 4a in der Seitenansicht ein schematischer Strahlengang für Lichtauskoppelstrukturen 144 an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 skizziert, wobei die Lichtleiterschicht 141 beispielhaft einen Brechungsindex von n = 1,49 und die angrenzenden Adhäsionsschichten 16 und 18 einen Brechungsindex von n = 1,41 aufweisen. 4a and 4b show the relationships for the embodiment in 3a between the light guide angle α , the lighting angle β , the reflection angle ϕ, the exit angle δ and the angle of inclination ε . Depending on the differences in the refractive indices between the light guide layer 141 and the adjacent adhesive layers 16 and 18th preferred angles are defined (exit angle δ ), under which illuminating light from the light guide layer 141 is decoupled. This is in 4a in the side view a schematic beam path for light decoupling structures 144 at the bottom of the light guide layer 141 outlined, the light guide layer 141 for example a refractive index of n = 1.49 and the adjacent adhesive layers 16 and 18th have a refractive index of n = 1.41.

Zusätzlich beinhaltet 4b die drei Bedingungen (gekennzeichnet durch römische Zahlen I, II, III), die erfüllt sein müssen, um ein zweckmäßiges Arbeiten der Vorrichtung zu gewährleisten:

  1. I: Geführte Strahlen (a > 71°) müssen an Lichtauskoppelstruktur 144 totalreflektiert werden ϕ > sin 1 1 .41 1.49 = 71 ° I ϕ = α ε
    Figure DE102018122917A1_0001
  2. II: Der durch die Lichtauskoppelstruktur 144 abgelenkte Strahl, der mit dem Austrittswinkel δ = α - 2·ε an der Oberseite der Lichtleiterschicht 141 auftrifft, darf dort nicht totalreflektiert werden δ < sin 1 1.41 1.49 < 71 °
    Figure DE102018122917A1_0002
  3. III: Am Deckschicht-Luft-Übergang muss Totalreflexion stattfinden (Deckschicht 12 mit n = 1,49 angenommen) δ > sin 1 1.00 1.49 = 42 °
    Figure DE102018122917A1_0003
Also includes 4b the three conditions (identified by Roman numerals I. , II , III ) that must be met to ensure that the device works properly:
  1. I: Guided beams (a> 71 °) must be at the light decoupling structure 144 be totally reflected ϕ > sin - 1 1 .41 1.49 = 71 ° I. ϕ = α - ε
    Figure DE102018122917A1_0001
  2. II: The one through the light decoupling structure 144 deflected beam that with the exit angle δ = α - 2 · ε on the top of the light guide layer 141 hits, must not be totally reflected there δ < sin - 1 1.41 1.49 < 71 °
    Figure DE102018122917A1_0002
  3. III: Total reflection must take place at the top layer-air transition (top layer 12th with n = 1.49 assumed) δ > sin - 1 1.00 1.49 = 42 °
    Figure DE102018122917A1_0003

Die Grafik in 4b zeigt für das oben genannte Zahlenbeispiel die erlaubten Kombinationen aus dem Lichtleitwinkel α des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts und Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144, die zur erfindungsgemäßen Bildgebung bei der Aufnahme eines Hautabdrucks 21 beitragen (I+II+III). Für einen Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 von ε ~ 10 werden die meisten Strahlen ausgekoppelt, die ursprünglich einen Lichtleitwinkel von α = 85° +/-5° hatten. Für die Sensorschicht 13 und Deckschicht 12 mit ähnlichem Brechungsindex wie die Lichtleiterschicht 141 (n ~ 1,5) ergibt sich somit ein Winkelspektrum β ∼ δ = 65° +/-5°. Die gleichmäßige Lichtauskopplung auf der gesamten Fläche der Lichtleiterschicht 141 und eine somit homogene Ausleuchtung eines auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Hautabdrucks 21, wird durch das Anpassen eines Füllfaktors der Lichtauskoppelstrukturen 144 umgesetzt.The graphic in 4b shows the permitted combinations of the light guiding angle for the above numerical example α of that in the light guide layer 141 led light and tilt angle ε the light decoupling structures 144 , for imaging according to the invention when taking a skin impression 21 contribute (I + II + III). For an angle of inclination ε the light decoupling structures 144 of ε ~ 10 most of the rays are coupled out, which originally had a light guiding angle of α = 85 ° +/- 5 °. For the sensor layer 13 and top layer 12th with a similar refractive index as the light guide layer 141 (n ~ 1.5), this results in an angle spectrum β ∼ δ = 65 ° +/- 5 °. The uniform coupling of light over the entire surface of the light guide layer 141 and thus a homogeneous illumination of one on the contact surface 11 overlying skin print 21 , by adjusting a fill factor of the light decoupling structures 144 implemented.

In der Ausführungsform mit Lichtauskoppelstrukturen, wie in 3a gezeichnet, kann die vertikale Divergenz des ausgekoppelten Beleuchtungslichts im Vergleich zur Ausführungsform in 3b sehr genau über den Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 und den Unterschied der Brechungsindizes zwischen der Lichtleiterschicht 141 und den benachbarten Adhäsionsschichten 16, 18 eingestellt werden. Je nach Anwendungsfall kann die erfindungsgemäße Vorrichtung mehr in Richtung Lichtintensität oder eines engen Winkelspektrums des Beleuchtungslichts optimiert werden. Qualitativ hochwertige Hautabdrücke 21 mit hoher Auflösung erhält man, indem das aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelte Licht eine sehr geringe Divergenz hat, also das ausgekoppelte Winkelspektrum klein ist.In the embodiment with light decoupling structures, as in 3a drawn, the vertical divergence of the decoupled illuminating light compared to the embodiment in 3b very exactly about the angle of inclination ε the light decoupling structures 144 and the difference in refractive indices between the light guide layer 141 and the adjacent adhesive layers 16 , 18th can be set. Depending on the application, the device according to the invention can do more in the direction of light intensity or a narrow angle spectrum of the illuminating light can be optimized. High quality skin prints 21 With high resolution you get that from the light guide layer 141 outcoupled light has a very low divergence, so the outcoupled angle spectrum is small.

Zur Verminderung des Einflusses von Störlicht 4, verursacht vornehmlich durch Umgebungslicht, wird in einer bevorzugten Ausführungsform, die in 5 dargestellt ist, zwischen Deckschicht 12 und Sensorschicht 13 eine erste Adhäsionsschicht 15 eingesetzt, die einen Brechungsindex aufweist, der so groß ist, wie der Brechungsindex der zweiten Adhäsionsschicht 16 zwischen Sensorschicht 13 und Lichtleiterschicht 141. Umgebungslicht während der Aufnahme von Hautabdrücken 21 sorgt dafür, dass die Haut des Fingers 2 leuchtet und über die Hautberge Licht in die Deckschicht 12 einkoppelt. Dies geschieht aufgrund von Mehrfachstreuung in der Haut und somit koppeln Teile des Umgebungslichts über den auf der Auflagefläche 11 positionierten Hautbereich in die Deckschicht 11 ein. Dieses Störlicht 4 verschlechtert die Aufnahme von Hautabdrücken 21, da das Störlicht 4 für eine Verminderung des Kontrasts im finalen Bild sorgt. Ein Anteil des Störlichts 4 gelangt deshalb nicht zur Sensorschicht 13, da Anteile des Störlichts 4 innerhalb der Deckschicht 12 die Bedingungen der Totalreflexion an der Grenzfläche zwischen Deckschicht 12 und erster Adhäsionsschicht 15 erfüllen.To reduce the influence of stray light 4th , caused primarily by ambient light, is in a preferred embodiment, which in 5 is shown between the top layer 12th and sensor layer 13 a first layer of adhesion 15 used, which has a refractive index which is as large as the refractive index of the second adhesive layer 16 between sensor layer 13 and light guide layer 141 . Ambient light while taking skin prints 21 ensures that the skin of the finger 2nd lights up and over the mountains of light into the top layer 12th couples. This happens due to multiple scattering in the skin and thus parts of the ambient light couple over those on the contact surface 11 positioned skin area in the top layer 11 on. This stray light 4th worsens the absorption of skin prints 21 because the stray light 4th reduces the contrast in the final image. A portion of the stray light 4th therefore does not reach the sensor layer 13 , because portions of the stray light 4th within the top layer 12th the conditions of total reflection at the interface between the cover layer 12th and first adhesive layer 15 fulfill.

Kommt als Deckschicht 12 beispielsweise Glas (n ~ 1,5) und eine erste Adhäsionsschicht 15 mit einem Brechungsindex von 1,4 zum Einsatz, dann wird Störlicht 4 mit Winkeln größer als 70° orthogonal zur Auflagefläche 11 an der Grenzfläche von Deckschicht 12 und erster Adhäsionsschicht 15 totalreflektiert und gelangt nicht zur Sensorschicht 13. Somit werden Anteile des Störlichts 4 von den lichtempfindlichen Sensorelementen 131 nicht detektiert und der Kontrast der Hautabdrücke 21 wird verbessert. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform kommt für die Deckschicht 12 ein Material mit einem größeren Brechungsindex zum Einsatz. Flintglas oder Saphir weisen zum Beispiel einen Brechungsindex von n > 1,7 auf, wodurch noch mehr Störlichtanteile innerhalb der Deckschicht 12 totalreflektiert werden und nicht zur Sensorschicht 13 gelangen. Bei einem Brechungsindex von n = 1,7 werden schon alle Störlichtanteile mit einem Winkel größer als 56° totalreflektiert. Je größer Unterschied der Brechungsindizes zwischen Deckschicht 12 und erster Adhäsionsschicht 15 ist, umso mehr Störlicht 4 wird innerhalb der Deckschicht 12 totalreflektiert und nicht von den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 detektiert.Comes as a top layer 12th for example glass (n ~ 1.5) and a first adhesive layer 15 with a refractive index of 1.4 is used, then stray light 4th with angles greater than 70 ° orthogonal to the contact surface 11 at the interface of the top layer 12th and first adhesive layer 15 totally reflected and does not reach the sensor layer 13 . Thus, parts of the stray light 4th from the photosensitive sensor elements 131 not detected and the contrast of the skin prints 21 will be improved. In a particularly preferred embodiment comes for the top layer 12th a material with a larger refractive index is used. Flint glass or sapphire, for example, have a refractive index of n> 1.7, which means that even more stray light components within the cover layer 12th be totally reflected and not to the sensor layer 13 reach. With a refractive index of n = 1.7, all stray light components are totally reflected at an angle greater than 56 °. The greater the difference in refractive indices between the top layer 12th and first adhesive layer 15 is, the more stray light 4th is inside the top layer 12th totally reflected and not from the photosensitive elements 131 the sensor layer 13 detected.

6 zeigt eine weitere zweckmäßige Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die im Unterschied zu 2 zwei zueinander benachbarte Lichtleiterschichten 141, 141' aufweist. Die weitere Lichtleiterschicht 141' bringt dabei mehrere Vorteile. 6 shows a further expedient embodiment of the device according to the invention, which differs from 2nd two adjacent light guide layers 141 , 141 ' having. The further light guide layer 141 ' brings several advantages.

Aufgrund der hohen Transparenz von Lichtleitern können mehrere Lichtleiterschichten 141, 141' beliebig übereinander angeordnet und durch einen weiteren niedriger brechenden Klebstoff miteinander verbunden werden. Eine solche weitere Adhäsionsschicht 18 sollte dabei den gleichen Brechungsindex aufweisen, wie die zweite Adhäsionsschicht 16 zwischen der Lichtleiterschicht 141 und der Sensorschicht 13. Zunächst gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie die Lichtleiterschichten 141 und 141' mit Licht gespeist werden. Da gibt es zunächst die in 6 gezeichnete Variante, bei der die Lichtleiterschichten 141, 141' von derselben Schmalseite des Schichtkörpers 1 mit LEDs 142 versehen sind. Hierfür ergibt sich als erstes der Vorteil einer Intensitätssteigerung des ausgekoppelten Lichts, da beide Lichtleiterschichten 141 hochtransparent sind und die weitere Lichtleiterschicht 141' die erste Lichtleiterschicht 141 faktisch nicht wahrnimmt. Daraus ergibt sich als Vorteil ein Schutz gegen Umgebungslicht, da eine Steigerung der TIR-Beleuchtungsintensität (die sich somit „hochregeln“ lässt) und parallel eine Reduzierung der Belichtungszeit (Herunterregeln der Belichtungszeiten eines in der Sensorschicht 13 implementierten elektronischen Shutters bei viel Umgebungslicht) das Beleuchtungsverhältnis in Richtung der TIR-Beleuchtungsintensität verschiebt, womit der Einfluss von Umgebungslicht relativ verringert und somit eine kontrastreichere Aufnahme von Hautabdrücken ermöglicht wird.Due to the high transparency of light guides, several light guide layers can be used 141 , 141 ' arranged arbitrarily one above the other and connected to each other by another lower refractive adhesive. Such an additional adhesive layer 18th should have the same refractive index as the second adhesive layer 16 between the light guide layer 141 and the sensor layer 13 . First, there are various options, such as the light guide layers 141 and 141 ' be fed with light. First there is the in 6 drawn variant, in which the light guide layers 141 , 141 ' from the same narrow side of the laminate 1 with LEDs 142 are provided. The first advantage for this is an increase in the intensity of the outcoupled light, since both light guide layers 141 are highly transparent and the further light guide layer 141 ' the first light guide layer 141 in fact not perceiving. This results in the advantage of protection against ambient light, since an increase in the TIR illumination intensity (which can thus be “adjusted”) and, at the same time, a reduction in the exposure time (reduction in the exposure times of one in the sensor layer) 13 implemented electronic shutters when there is a lot of ambient light) shifts the lighting ratio in the direction of the TIR lighting intensity, which relatively reduces the influence of ambient light and thus enables a higher-contrast recording of skin prints.

Zudem sind die parallel zueinander ausgekoppelten Lichtstrahlen aus der Draufsicht betrachtet zueinander versetzt und tragen zur Homogenisierung der Beleuchtung bei, indem jede Lichtleiterschicht 141 jeweils nur einen bestimmten Teil der Auflagefläche 11 beleuchtet, womit auch sehr gut größere Auflageflächen 11 beispielsweise für die Aufnahme ganzer Handflächen, oder mehrerer Hände beleuchtet werden können.In addition, the light rays that are coupled out parallel to one another are offset from one another when viewed from the top view and contribute to the homogenization of the lighting by each light guide layer 141 only a certain part of the contact surface 11 illuminated, which means that very large contact surfaces 11 for example, for the recording of entire palms, or several hands can be illuminated.

Der zweite Vorteil besteht darin, dass mehrere Aufnahmen bei ausschließlicher Beleuchtung mit jeweils einer der gleichartigen Lichtleiterschichten 141, 141' etc. nacheinander gemacht, die Bilder verglichen und das bessere ausgesucht werden können. Dies ist neben Maßnahmen zur Lebenderkennung für die Aufnahme von trockenen und feuchten Hautabdrücken 21 interessant. Zur Lebenderkennung kann in der weiteren Lichtleiterschicht 141' Beleuchtungslicht mit anderen Wellenlängen (z.B. UV, IR) zusätzlich zu VIS-Spektralbereichen eingesetzt werden.The second advantage is that multiple exposures with only one illumination of the same type of light guide layers 141 , 141 ' etc. made one after the other, the pictures can be compared and the better one can be selected. This is in addition to live detection measures for the absorption of dry and damp skin prints 21 Interesting. In the further light guide layer for living detection 141 ' Illuminating light with other wavelengths (e.g. UV , IR ) can be used in addition to VIS spectral ranges.

Ein dritter Vorteil ergibt sich, wenn die beiden Lichtleiterschichten 141 unterschiedliche Neigungswinkel ε ihrer Lichtauskoppelstrukturen 144 aufweisen und die weitere Lichtleiterschicht 141' beispielsweise einen Beleuchtungswinkel β' verursacht, der nicht TIR-geeignet ist, sondern direkt durch die Auflagefläche 11 der Deckschicht 12 nach außen tritt und dort ein aufgelegtes Dokument 3 beleuchten kann. Für diesen Dokumentlesemodus kann die erste Lichtleiterschicht 141 zusätzlich ausgeschaltet werden, so dass gar kein TIR-Licht erzeugt wird. Hierdurch wird eine kontraststärkere Aufnahme von Dokumenten 3 ermöglicht, da das intern totalreflektierte Beleuchtungslicht der Lichtleiterschicht 141 nicht bei der Aufnahme stört, wenn es abschaltbar ist.A third advantage arises when the two light guide layers 141 different angles of inclination ε their light decoupling structures 144 have and the further light guide layer 141 ' for example, causes an illumination angle β 'that is not suitable for TIR, but rather directly through the contact surface 11 the top layer 12th comes out and there is an open document 3rd can illuminate. The first light guide layer can be used for this document reading mode 141 can also be switched off so that no TIR light is generated. This will result in a higher-contrast recording of documents 3rd enables because the internally totally reflected illumination light of the light guide layer 141 does not interfere with the recording if it can be switched off.

In einer modifizierten Variante von 6 kann das Licht der LEDs 142 für jede der Lichtleiterschichten 141 und 141' an verschiedenen, vorzugsweise gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers 1 eingeleitet werden. Diese Variante wird durch die gestrichelt gezeichnete LED 146 auf der rechten Schmalseite der Lichtleiterschicht 141' symbolisch dargestellt und verdeutlicht diese wählbare Alternative.In a modified variant of 6 can the light of the leds 142 for each of the light guide layers 141 and 141 ' on different, preferably opposite, narrow sides of the laminate 1 be initiated. This variant is shown by the dashed LED 146 on the right narrow side of the light guide layer 141 ' This selectable alternative is shown symbolically and illustrates.

In diesem alternativen Fall führen die aus den Lichtleiterschichten 141 und 141' ausgekoppelten Strahlen zu zwei unterschiedlichen Bildern mit einem Versatz , der herausgerechnet werden kann, und somit werden die beiden Fingerabdruckbilder zwecks Qualitätsverbesserung miteinander verglichen und das bessere Bild ausgewählt oder beide Bilder werden über anschließende Bildverarbeitung miteinander fusioniert.In this alternative case, they lead out of the light guide layers 141 and 141 ' decoupled beams to two different images with an offset that can be calculated out, and thus the two fingerprint images are compared with one another for the purpose of quality improvement and the better image is selected or both images are fused with one another via subsequent image processing.

7 zeigt eine weitere abwandelte Ausführung von 2, die sich dadurch auszeichnet, dass zwischen der Sensorschicht 13 und der Lichtleiterschicht 141 ein zusätzliches Substrat 172 eingefügt ist, das sowohl aus Stabilitätsgründen als auch zur Beleuchtungshomogenisierung vorteilhaft ist. 7 shows a further modified version of 2nd , which is characterized in that between the sensor layer 13 and the light guide layer 141 an additional substrate 172 is inserted, which is advantageous both for reasons of stability and for lighting homogenization.

Des Weiteren ist in 7 über der Sensorschicht 13 eine - hier beispielhaft als vollflächige Spektralfilterschicht 19 gezeichnete - Filterschicht eingefügt, die vor allem eine zusätzliche Eliminierung des Umgebungslichts vornehmen kann.Furthermore, in 7 over the sensor layer 13 one - here as an example as a full-surface spectral filter layer 19th drawn - filter layer inserted, which above all can make an additional elimination of the ambient light.

Die Spektralfilterschicht 19 kann vorzugsweise strukturiert lediglich über den lichtempfindlichen Elementen 131 der Sensorschicht 13 aufgetragen sein, wodurch das Licht eines unterhalb der Vorrichtung angelegten lichtemittierenden Displays 17 von der Spektralfilterschicht 19 unbeeinflusst bleibt. Die Spektralfilterschicht 19 ist in einer bevorzugten Ausführungsform ein Schmalbandfilter und auf die Wellenlänge des Beleuchtungslichts der Lichtleiterschicht 141 angepasst, sodass sie für die meisten Teile des Beleuchtungslichts transparent ist und für restliche Lichtanteile absorbierend wirkt.The spectral filter layer 19th can preferably be structured only over the photosensitive elements 131 the sensor layer 13 be applied, whereby the light of a light-emitting display applied below the device 17th from the spectral filter layer 19th remains unaffected. The spectral filter layer 19th is in a preferred embodiment a narrow band filter and on the wavelength of the illuminating light of the light guide layer 141 adjusted so that it is transparent to most parts of the illuminating light and absorbs the rest of the light.

Wie aus 7 weiterhin zu entnehmen ist, wird durch die größere Schichtdicke zwischen Lichtleiterschicht 141 und Auflagefläche 11 der Deckschicht 12 eine stärkere Bündelverbreiterung der Beleuchtungsstrahlen zu beobachten sein. Dieser Umstand ist durch zwei an der Unterseite der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelte Strahlenbündel dargestellt, die sich aufgrund des zusätzlichen Substrats 172 bereits an der Auflagefläche 11 der Deckschicht 12 überlappen.How from 7 can also be seen, is due to the greater layer thickness between the light guide layer 141 and contact surface 11 the top layer 12th a stronger bundle broadening of the illumination beams can be observed. This is due to two at the bottom of the light guide layer 141 decoupled beams shown because of the additional substrate 172 already on the contact surface 11 the top layer 12th overlap.

Die Signalverbreiterung beziehungsweise Aufweitung der Strahlenbündel steht bei dieser Erfindung im engen Zusammenhang mit einem Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141. Liegt der Füllfaktor beispielsweise bei 1 % und jede Lichtauskoppelstruktur 144 ist ca. 10 µm lang (bzw. hat einen Durchmesser von 10µm), so beträgt die durchschnittliche Länge zur nächstliegenden Lichtauskoppelstruktur 144 rund 1 mm. Die Signalverbreiterung ist abhängig von der Divergenz (FWHM z. B. 10° bzw. ±5° um den Beleuchtungswinkel β) sowie vom Abstand zwischen den Lichtauskoppelelementen 144 und der Auflagefläche 11 (z.B. 5,5 mm) und ergibt in diesem Beispiel eine Signalverbreiterung eines ausgekoppelten Lichtpunktes auf ca. 8,5 mm. Das bedeutet, dass der maximale Abstand zwischen den Lichtauskoppelstrukturen 144 in diesem Beispiel ca. 4 mm nicht übersteigen sollte. Wie oben gezeigt, liegt der Abstand jedoch nur bei ca. 1 mm, womit jede Stelle der Auflagefläche 11 von mehreren Lichtauskoppelelementen 144 beleuchtet wird und die Sensorschicht 13 die einzelnen diskret emittierenden Lichtpunkte der Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 nicht „sieht“.In this invention, the signal broadening or widening of the beam is closely related to a fill factor of the light decoupling structures 144 the light guide layer 141 . For example, the fill factor is 1% and each light decoupling structure 144 is approx. 10 µm long (or has a diameter of 10 µm), the average length to the nearest light decoupling structure 144 around 1 mm. The signal broadening depends on the divergence (FWHM e.g. 10 ° or ± 5 ° around the illumination angle β ) and the distance between the light decoupling elements 144 and the contact surface 11 (eg 5.5 mm) and in this example results in a signal broadening of a decoupled light point to approximately 8.5 mm. This means that the maximum distance between the light decoupling structures 144 should not exceed approx. 4 mm in this example. As shown above, however, the distance is only approx. 1 mm, which means that every point of the contact surface 11 of several light decoupling elements 144 is illuminated and the sensor layer 13 the individual discrete-emitting light points of the light decoupling structures 144 the light guide layer 141 does not "see".

Zur gleichmäßigen Beleuchtung der Auflagefläche 11 ohne Intensitätsspitzen durch einzelne Lichtauskoppelstrukturen 144 stehen zwei Varianten zur Verfügung.For uniform illumination of the contact surface 11 without intensity peaks due to individual light decoupling structures 144 two variants are available.

Zum einen ist es möglich, dass die Lichtauskoppelstrukturen 144 einen Abstand s aufweisen (nicht gezeichnet), der sehr viel kleiner ist als ihre Signalverbreiterung bis zur Auflagefläche 11, denn dann überlagern sich die Strahlenbündel der einzelnen Lichtauskoppelstrukturen 144, bevor sie auf die Auflagefläche 11 der Deckschicht 12 treffen bzw. anschließend in Richtung Sensorschicht 13 reflektieren. Zum anderen ist es in einer zweiten Variante möglich, dass die Lichtauskoppelstrukturen 144 einen Abstand s aufweisen, der sehr viel kleiner als der Mittenabstand der lichtempfindlichen Elemente ist, da in diesem Fall die Signalverbreiterung der Strahlenbündel nicht zwingend erforderlich ist.On the one hand, it is possible for the light decoupling structures 144 have a distance s (not shown) which is much smaller than their signal broadening up to the contact surface 11 , because then the beams of the individual light coupling structures overlap 144 before going to the support surface 11 the top layer 12th or towards the sensor layer 13 reflect. On the other hand, in a second variant it is possible for the light decoupling structures 144 have a distance s which is very much smaller than the center distance of the photosensitive elements, since in this case the signal broadening of the beams is not absolutely necessary.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ohne Display 17 ist in 8 dargestellt. Hierbei ist die Lichtleiterschicht 141 unter der Sensorschicht 13 so ausgebildet, dass anteilig der Beleuchtungswinkel β zur Beleuchtung eines Hautabdrucks 2 und Beleuchtungslicht mit dem Beleuchtungswinkel β' zur Beleuchtung von Dokumenten 3 aus der Lichtleiterschicht 141 in Richtung Auflagefläche 11 ausgekoppelt werden. Die Anteile des Lichts zur Beleuchtung von Dokumenten 3 (Beleuchtungswinkel β') koppeln dabei aus der Deckschicht 12 in Richtung Luft aus, beleuchten das Dokument 3 und das vom aufliegenden Dokument 3 zurückgestreute Licht wird von der Sensorschicht 13 detektiert. Da zwischen dem aufliegenden Dokument 3 und der Auflagefläche 11 keine optische Kopplung besteht, sondern stets eine dünne Luftschicht existiert, kann das Dokument 3 nicht mit in der Deckschicht 12 intern totalreflektiertem Licht mit dem Beleuchtungswinkel β beleuchtet werden.Another preferred embodiment without a display 17th is in 8th shown. Here is the light guide layer 141 under the sensor layer 13 designed so that the lighting angle is proportional β to illuminate a skin print 2nd and illuminating light with the illuminating angle β 'for Illumination of documents 3rd from the light guide layer 141 towards the contact surface 11 be coupled out. The proportions of light used to illuminate documents 3rd (Illumination angle β ' ) couple from the top layer 12th towards the air, illuminate the document 3rd and that from the document on top 3rd backscattered light is emitted by the sensor layer 13 detected. Because between the document on top 3rd and the contact surface 11 there is no optical coupling, but there is always a thin layer of air, the document can 3rd not in the top layer 12th internally totally reflected light with the illumination angle β be illuminated.

Beinhaltet die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Display 17, wird das vom Display 17 emittierte Licht als Beleuchtungslicht zur Aufnahme von Dokumenten 3 genutzt, da dies aus der Deckschicht 12 in Richtung Luft auskoppelt und eine Anpassung der Lichtauskoppelstrukturen 144 der Lichtleiterschicht 141 nicht erforderlich ist. Wird die Vorrichtung, wie in 8 gezeigt, betrieben, kann der Beleuchtungswinkel β' zur Beleuchtung aufliegender Dokumente 3 zusätzlich vom Nutzer der Vorrichtung visuell wahrgenommen werden, wenn Licht im visuellen Bereich des Lichtspektrums eingesetzt wird. Das Leuchten der Auflagefläche 11 kann als vereinfachte Benutzerführung kenntlich machen, wenn die Vorrichtung bereit zur Aufnahme von Hautabdrücken 21 oder Dokumenten 3 ist, ohne dass ein Display 17 erforderlich ist. Der Anteil des Beleuchtungslichts, der über die Deckschicht 12 zur Luft ausgekoppelt wird, sollte im Vergleich zum totalreflektierenden Beleuchtungslicht bevorzugt relativ klein sein und weniger als 50 % betragen, da dieser Lichtanteil bei der Aufnahme von Hautabdrücken 21 als Störlicht kontrastmindernd wirkt. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Lichtauskoppelstrukturen 144 so ausgebildet, dass zwischen 50 % und 95 % des aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten Beleuchtungslichts beim Übergang zu Luft an der Auflagefläche 11 in der Deckschicht 12 totalreflektierter Lichtanteil sind und zur Beleuchtung von Haut nutzbar ist (Beleuchtungswinkel β), während ein verbleibender restlicher Lichtanteil Beleuchtungswinkel zur Beleuchtung von Dokumenten 3 nutzbar ist (Beleuchtungswinkel β').The device according to the invention includes a display 17th , the display will 17th emitted light as illuminating light for holding documents 3rd used as this comes from the top layer 12th decouples in the direction of air and an adaptation of the light decoupling structures 144 the light guide layer 141 is not required. If the device, as in 8th shown, operated, the angle of illumination β ' for illuminating overlay documents 3rd can also be visually perceived by the user of the device when light is used in the visual range of the light spectrum. The glow of the contact surface 11 Can be identified as simplified user guidance when the device is ready to take skin prints 21 or documents 3rd is without a display 17th is required. The proportion of illuminating light that passes over the top layer 12th coupled out to the air, should preferably be relatively small compared to the totally reflecting illuminating light and should be less than 50%, since this proportion of light when recording skin prints 21 acts as contrast light to reduce contrast. In a preferred embodiment, the light decoupling structures are 144 formed so that between 50% and 95% of that from the light guide layer 141 decoupled illuminating light at the transition to air on the contact surface 11 in the top layer 12th are totally reflected light and can be used to illuminate skin (angle of illumination β ), while a remaining portion of light illuminates the illumination angle for illuminating documents 3rd is usable (lighting angle β ' ).

Ist die vertikale Divergenz um den Lichtleitwinkel α des in der Lichtleiterschicht 141 geführten Lichts groß genug, werden automatisch Beleuchtungswinkel β, β' zur Beleuchtung von Hautabdrücken 21 (Beleuchtungswinkel β) und Dokumenten 3 (Beleuchtungswinkel) in Richtung Deckschicht 12 ausgekoppelt. Besteht die Deckschicht 12 aus einem Material mit einem Brechungsindex von - 1,5 (zum Beispiel Glas) und liegt der Beleuchtungswinkel β bei 50° und hat eine Divergenz von +/-10°, werden Beleuchtungswinkel β' zwischen 40° und 42° in Luft ausgekoppelt und zur Beleuchtung eines aufliegenden Dokuments 3 genutzt.Is the vertical divergence around the light guide angle α of that in the light guide layer 141 led light large enough, lighting angles are automatically β , β ' for illuminating skin prints 21 (Illumination angle β ) and documents 3rd (Illumination angle) towards the top layer 12th uncoupled. Is the top layer 12th made of a material with a refractive index of - 1.5 (e.g. glass) and lies the angle of illumination β at 50 ° and has a divergence of +/- 10 °, lighting angles will be β ' decoupled between 40 ° and 42 ° in air and for illuminating an overlay document 3rd used.

Diese Vorgehensweise kann auch in der Darstellung von 8 durch unterschiedlich eingebrachte Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 realisiert werden. Unterschiedliche Neigungswinkel ε und ε' sorgen für unterschiedliche Reflexionswinkel ϕ und ϕ' an den entsprechenden Lichtauskoppelstrukturen 144 und führen zu unterschiedlichen Beleuchtungswinkeln β und β' an der Auflagefläche 11. Hierdurch können die Anteile des Beleuchtungslichts für Hautabdrücke 21 und Dokumente 3 direkt gesteuert werden. In 8 sind beispielhaft in der vergrößerten Detailansicht der Lichtauskoppelstrukturen 144 zwei unterschiedliche Neigungswinkel ε und ε' gezeigt, sodass die Reflexionswinkel ϕ und ϕ' der Lichtauskoppelstrukturen 144 und somit die Beleuchtungswinkel β und β' variieren, d.h. beide Beleuchtungszustände für Hautabdrücke 21 und für Dokumente 3 aus derselben Lichtleiterschicht 141 erzeugt werden können. Die unterschiedlichen Lichtauskoppelstrukturen 144 können in voneinander unabhängigen Rastern (nicht gezeichnet) liegen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist dafür jede zehnte Lichtauskoppelstruktur 144 mit einem Neigungswinkel ε' ausgebildet, der einen Beleuchtungswinkel β' zur Beleuchtung von Dokumenten 3 realisiert, sodass immer noch 90 % der ausgekoppelten Strahlenbündel mit dem Beleuchtungswinkel β an der Auflagefläche 11 beim Übergang zu Luft totalreflektierten und zur Beleuchtung für die Aufnahme von Hautabdrücken 21 genutzt werden.This procedure can also be shown in the 8th due to different inclination angles ε the light decoupling structures 144 will be realized. Different angles of inclination ε and ε 'provide different reflection angles ϕ and ϕ' on the corresponding light decoupling structures 144 and lead to different lighting angles β and β ' on the contact surface 11 . This allows the proportions of the illuminating light for skin prints 21 and documents 3rd can be controlled directly. In 8th are examples in the enlarged detail view of the light decoupling structures 144 two different angles of inclination ε and ε ' shown, so that the reflection angles ϕ and ϕ 'of the light decoupling structures 144 and thus the lighting angle β and β ' vary, ie both lighting conditions for skin prints 21 and for documents 3rd from the same light guide layer 141 can be generated. The different light decoupling structures 144 can be in independent grids (not shown). In a preferred embodiment, every tenth light coupling structure is for this 144 with an angle of inclination ε ' trained of an illumination angle β ' for illuminating documents 3rd realized so that 90% of the decoupled beams with the illumination angle β on the contact surface 11 in the transition to air totally reflected and to lighting for the absorption of skin prints 21 be used.

In einer weiteren Ausführungsform ist ein erster Bereich der Auflagefläche 11 nur für die Aufnahme von Dokumenten 3 vorgesehen und wird mit Beleuchtungswinkeln β' aus der Lichtleiterschicht 141 beleuchtet und ein zweiter Bereich der Auflagefläche 11 ist ausschließlich für die Aufnahme eines Hautabdrucks 2 vorgesehen und wird mit Beleuchtungswinkeln β aus der Lichtleiterschicht 141 beleuchtet, wobei das Beleuchtungslicht an der Grenzfläche zwischen Deckschicht 12 und Luft totalreflektiert.In a further embodiment there is a first area of the support surface 11 only for taking documents 3rd provided and is provided with lighting angles β ' from the light guide layer 141 illuminated and a second area of the support surface 11 is only for taking a skin print 2nd provided and is provided with lighting angles β from the light guide layer 141 illuminated, the illuminating light at the interface between the top layer 12th and air totally reflected.

Es können also verschiedene Objekte, z. B. Haut, Dokumente etc, durch Wahl der Gestaltung der Lichtauskoppelelemente 144 der Lichtleiterschicht 141 aufgenommen werden. Dadurch ist es auch möglich, die Strukturen an die unterschiedlichen Reflexions- und Streuverhalten von einzelnen Objekten anzupassen.Different objects, e.g. B. skin, documents etc, by choosing the design of the light decoupling elements 144 the light guide layer 141 be included. This also makes it possible to adapt the structures to the different reflection and scattering behavior of individual objects.

In 9 sind unterschiedliche Arten für die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LED 142 und deren mehr oder weniger divergent abgestrahlte Strahlenbündel in fünf Draufsichten dargestellt, die sich durch ihren Zustand der Vorkollimation unterscheiden. Vorangestellt sei für diese Ausführungsvarianten, dass die meisten LED 142 in unterschiedlichem Grad bereits intern vorkollimiert sind.In 9 are different types for the coupling of illuminating light on a narrow side of the light guide layer 141 by means of several LEDs 142 and their more or less divergent emitted beams are shown in five top views, which differ in their state of pre-collimation. For these versions, it is assumed that most LEDs 142 are already internally precollimated to different degrees.

In der Teilabbildung (a) von 9 sind diesbezüglich die Einkopplung von Beleuchtungslicht an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 mittels mehrerer LED 142 und deren deutlich divergente Strahlenbündel in der Draufsicht dargestellt. In part (a) of 9 are the coupling of illuminating light on a narrow side of the light guide layer in this regard 141 by means of several LEDs 142 and their clearly divergent beams are shown in plan view.

Als Quelle für das Beleuchtungslicht können verschiedene Ausführungsformen zum Einsatz kommen. Werden mehrere LED ohne Kollimation der Strahlenbündel 147 eingesetzt, überlagern sich die einzelnen Strahlenbündel 147 und führen dazu, dass ein beleuchteter Objektpunkt eines auf der Auflagefläche 11 aufliegenden Fingers 2 durch unterschiedliche Strahlenbündel 147 beleuchtet wird und auf mehrere Bildpunkte der abgetasteten Bildaufnahme (verteilt), bzw. auf mehreren Punkten der Sensorschicht 13 (hier nicht gezeichnet), abgebildet wird. Die mögliche Abbildung eines Objektpunkts auf mehrere Bildpunkte ist in Teilabbildung (a) von 9 durch die Pfeilspitzen dargestellt.Various embodiments can be used as the source for the illuminating light. Be multiple LED without collimation of the beam 147 used, the individual beams overlap 147 and cause an illuminated object point to be on the support surface 11 resting finger 2nd due to different beams 147 is illuminated and on several pixels of the scanned image recording (distributed), or on several points of the sensor layer 13 (not shown here). The possible mapping of an object point to several pixels is shown in partial illustration (a) of 9 represented by the arrowheads.

Durch das Durchmischen der Strahlenbündel 147 der mehreren lichtabstrahlenden LEDs 142, kommt es zwangsläufig dazu, dass von einem Objektpunkt an der Auflagefläche 11 mehrere Bildpunkte in der Sensorschicht 13 erzeugt werden, womit die gleiche Objektinformation zum Beispiel eines aufliegenden Fingers 2 auf mehreren lichtempfindlichen Elementen 131 detektiert wird und die Auflösung des abgebildeten Hautabdrucks 21 abnimmt. Je kleiner die horizontale und vertikale Divergenz der Strahlenbündel 147 ist, desto höher ist die Auflösung.By mixing the beams 147 of the several light-emitting LEDs 142 , it inevitably happens that from an object point on the support surface 11 several pixels in the sensor layer 13 are generated, with which the same object information, for example of an overlying finger 2nd on several photosensitive elements 131 is detected and the resolution of the imaged skin impression 21 decreases. The smaller the horizontal and vertical divergence of the rays 147 the higher the resolution.

In 9 zeigt die Teilabbildung (a) schematisch in einer Draufsicht, wie jeweils ein Objektpunkt (jeweils als schwarzer Punkt entlang der unteren gestrichelten Linie gezeichnet) auf zwei voneinander entfernte Bildpunkte (als Punkte entlang der zweiten gestrichelten Linie) abgebildet wird. Dies geschieht, da durch die Deckschicht 12 ein Abstand zwischen Auflagefläche 11 und Sensorschicht 13 existiert. Je geringer dieser Abstand ist, desto weniger läuft die Objektinformation breit und desto besser ist die Auflösung. Dicken von 50 µm bis 1000 µm der Deckschicht 12 sind durchaus üblich. Eine große Dicke der Deckschicht 12 gewährleistet einen verbesserten mechanischen Schutz für die Vorrichtung und ist deshalb zu bevorzugen. Je geringer die Divergenz des Strahlenbündels 147 ist, desto besser ist die Auflösung bzw. umso größere kann die Dicke der Deckschicht 12 bei gleicher Auflösung gewählt werden. Einen Ansatz zur Verbesserung der Auflösung bzw. Vergrößerung der Dicke der Deckschicht 12 sind daher Mittel zur Kollimation der Strahlenbündel 147 der LEDs 142, wie sie in weiteren Teilabbildungen von 9 gezeigt sind.In 9 shows the partial image (a) schematically in a top view of how an object point (each drawn as a black point along the lower dashed line) is mapped onto two pixels that are spaced apart (as points along the second dashed line). This happens because of the top layer 12th a distance between the contact surface 11 and sensor layer 13 exists. The smaller this distance, the less the object information runs and the better the resolution. Thicknesses from 50 µm to 1000 µm of the top layer 12th are quite common. A large thickness of the top layer 12th ensures improved mechanical protection for the device and is therefore preferred. The lower the divergence of the beam 147 is, the better the resolution or the greater the thickness of the cover layer 12th can be selected with the same resolution. An approach to improve the resolution or increase the thickness of the cover layer 12th are therefore a means of collimating the rays 147 of the LEDs 142 , as shown in other parts of 9 are shown.

In Teilabbildung (b) sind vom Hersteller vorkollimierte LEDs 142 eingesetzt und diese - wie oben beschrieben - dicht gepackt zueinander und mit geringstem Abstand zur einzukoppelnden Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet. Dadurch kann ohne zusätzliche Vorkollimationsoptik 143 eine vertretbare Divergenz der Strahlenbündel 147 bei einer guten Durchmischung der Lichtanteile der einzelnen LEDs 142 realisiert werden. Ebenfalls kommt es an der Grenzfläche zwischen Luft und Lichtleiterschicht 141 bei der Einkopplung des Beleuchtungslichts zur Lichtbrechung, wodurch eine gewisse Vorkollimation erreicht wird.In part (b) the LEDs are precollimated by the manufacturer 142 used and - as described above - packed tightly to each other and with the smallest distance to the narrow side of the light guide layer to be coupled 141 arranged. This allows you to do this without additional pre-collimation optics 143 an acceptable divergence of the rays 147 with good mixing of the light components of the individual LEDs 142 will be realized. It also happens at the interface between air and light guide layer 141 when the illuminating light is coupled in for refraction, whereby a certain pre-collimation is achieved.

Falls diese Art der Einkopplung den Anforderungen an die örtliche Auflösung der Bildaufnahme nicht gerecht wird, sind die Ausführungsvarianten mit einer zusätzliche Vorkollimationsoptik 143 gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) von 9 zu bevorzugen, wobei in Teilabbildung (c) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeformte refraktive konvexe Linsen als Vorkollimationsoptik 143 gewählt sind, die auch durch GRIN-Linsen ersetzt werden können. In Teilabbildung (d) sind die refraktiven Vorkollimationsoptiken 143 als konkave Linsen im Material der Lichtleiterschicht 141 eingearbeitet und aus einem optisch dünneren Medium, d.h. mit deutlich kleinerem Brechungsindex gegenüber der Lichtleiterschicht 141 gebildet. Dafür eignet sich am besten ein gasförmiges Medium, wie z.B. Luft. Der mit Ausführungsbeispielen gemäß den Teilabbildungen (c) und (d) erreichbare Kollimationszustand sichert zwar die bestmögliche Auflösung, hat aber den Nachteil einer ungleichmäßigen Intensitätsverteilung der Beleuchtung der Auflagefläche 11, sodass zwischen diesen beiden Ausführungen und der Variante nach Teilabbildung (b) abzuwägen ist, welche Anforderungen den Vorrang erhalten sollen.If this type of coupling does not meet the requirements for the local resolution of the image recording, the design variants have an additional pre-collimation lens 143 according to the parts (c) and (d) of 9 to be preferred, in partial illustration (c) on the narrow side of the light guide layer 141 molded refractive convex lenses as pre-collimation optics 143 are selected, which can also be replaced by GRIN lenses. The refractive pre-collimation optics are shown in part (d) 143 as concave lenses in the material of the light guide layer 141 incorporated and made of an optically thinner medium, ie with a significantly lower refractive index compared to the light guide layer 141 educated. A gaseous medium, such as air, is best suited for this. The collimation state that can be achieved with exemplary embodiments according to partial illustrations (c) and (d) ensures the best possible resolution, but has the disadvantage of an uneven intensity distribution of the illumination of the contact surface 11 , so that between these two versions and the variant according to partial illustration (b) it is necessary to consider which requirements should be given priority.

In der Teilabbildung (e) von 9 sind die dicht gepackten LEDs 142 mit verschiedener spektralen Abstrahlungswellenlängen ausgestattet, die abwechselnd entlang der Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet und schaltbar sind, wobei mindestens zwei unterschiedliche Spektralbereiche ausgewählt werden, um damit alternativ beleuchtete Bilder der aufgelegten Objekte, Hautabdrücke 2 oder Dokumente 3, aufzunehmen, die vorzugsweise zum Echtheitsnachweis verwendet werden.In the partial illustration (e) of 9 are the tightly packed LEDs 142 equipped with different spectral radiation wavelengths, which alternate along the narrow side of the light guide layer 141 are arranged and switchable, at least two different spectral ranges being selected in order to use them to alternatively illuminate images of the objects placed on them, skin prints 2nd or documents 3rd to record, which are preferably used for proof of authenticity.

10 zeigt eine Ausführungsform mit einer Lichteinkopplung an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 und Vorkollimationsoptiken 143 in der Draufsicht. 10th shows an embodiment with a light coupling on a narrow side of the light guide layer 141 and pre-collimation optics 143 in the top view.

Bevor das Beleuchtungslicht der mehreren LEDs 142 ein auf der Auflagefläche 11 aufliegendes Objekt (Finger 2 oder Dokument 3) beleuchtet, ist es vorteilhaft, dass die Strahlenbündel 147 der mehreren LEDs 142 ausreichend durchmischt sind, um die Auflagefläche 11 gleichmäßig zu beleuchten. Dies wird in einer bevorzugten Ausführungsform durch der Auflagefläche 1 vorgelagerte Einkoppelbereiche für die Strahlenbündel 147 realisiert. Hierfür sind gemäß 10 zur Lichteinkopplung mehrere mit einem minimalen Mittenabstand A eng aneinander gereihte LED 142 mit divergenten Strahlenbündeln 147 an einer Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 angeordnet. Die unterschiedlichen Strahlenbündel 147 werden mit Hilfe je einer Vorkollimationsoptik 143 mit dem Ziel der Verringerung ihrer Divergenz vorkollimiert.Before the illuminating light of the multiple LEDs 142 one on the support surface 11 resting object (finger 2nd or document 3rd ) illuminated, it is advantageous that the beam 147 of the several LEDs 142 are sufficiently mixed to the contact surface 11 to illuminate evenly. In a preferred embodiment, this is due to the contact surface 1 upstream coupling areas for the beams 147 realized. For this, according to 10th for light coupling several with a minimal center distance A LED lined up closely 142 with divergent beams 147 on a narrow side of the light guide layer 141 arranged. The different beams 147 with the help of pre-collimation optics 143 pre-collimated with the aim of reducing their divergence.

Wie eingangs beschrieben, ist eine Vorkollimation der LED 142 hilfreich, um eine gute Auflösung des Hautabdrucks 21 zu realisieren.As described at the beginning, the LED is precollimated 142 helpful for a good resolution of the skin print 21 to realize.

Eine homogene Beleuchtung wird dadurch realisiert, dass vorkollimierte LED 142 so dicht wie möglich gepackt aneinander gesetzt sind und, wie in 10 dargestellt, eine erste Einkoppellänge B oder sogar eine zweite Einkoppellänge C zur ausreichenden Durchmischung zur Verfügung haben, um Lichtintensitätsspitzen und damit verbundene lokale Überbelichtung von Hautabdrücken 21 zu vermeiden.Homogeneous lighting is achieved by using pre-collimated LEDs 142 are packed as close together as possible and, as in 10th shown, a first coupling length B or even a second launch length C. for sufficient mixing to have light intensity peaks and the associated local overexposure of skin prints 21 to avoid.

Dadurch überlappen sich insbesondere in horizontaler Richtung die eingekoppelten benachbarten divergenten Strahlenbündel 147 erst nach der ersten Einkoppellänge B an den mit einem Kreis kenntlich gemachten Punkten. Infolgedessen ergibt sich im nachfolgenden Bereich der Lichtleiterschicht 141 eine bessere Verteilung des Lichts. Nach der zweiten Einkoppellänge C überlagern sich die Strahlenbündel 147 der zweiten Nachbarn der LEDs 142, wodurch eine nahezu perfekte Homogenisierung der Beleuchtung realisiert wird.As a result, the coupled adjacent divergent beams bundle overlap, particularly in the horizontal direction 147 only after the first coupling length B at the points marked with a circle. As a result, in the subsequent area of the light guide layer 141 a better distribution of light. After the second coupling length C, the beams overlap 147 the second neighbor of the LEDs 142 , whereby an almost perfect homogenization of the lighting is realized.

Je niedriger die Divergenz der LEDs 142 ist, desto besser ist die Auflösung des Hautabdrucks 21, da lokale Objektinformationen auf weniger Bildpunkten (verteilt und gemischt) abgebildet werden. Sind die Strahlenbündel 147 jedoch zu stark eingeschränkt (kollimiert), wird die Auflagefläche 11 ungleichmäßig bzw. im Extremfall stellenweise gar nicht beleuchtet. In diesem Fall ist eine ausreichend große Einkoppellänge B oder B+C notwendig, wobei diese abhängig von dem Mittenabstand A zweier benachbarter LEDs 142 und deren Grad der Vorkollimation ist. Im Normalfall ist eine Einkoppellänge B oder B+C von einigen Millimetern, vorzugsweise zwischen 2 mm und 20 mm, ausreichend, um eine ausreichende Überlappung und Durchmischung der Strahlenbündel 147 zu realisieren.The lower the divergence of the LEDs 142 the better the resolution of the skin print 21 , because local object information is displayed on fewer pixels (distributed and mixed). Are the beams 147 however, the contact surface becomes too restricted (collimated) 11 unevenly or in extreme cases not illuminated at all. In this case the coupling length is sufficiently large B or B + C necessary, which depends on the center distance A two adjacent LEDs 142 and their degree of pre-collimation. Usually there is a coupling length B or B + C of a few millimeters, preferably between 2 mm and 20 mm, sufficient to ensure sufficient overlap and mixing of the radiation beams 147 to realize.

Bei einer Divergenz von 10° und einem Abstand von 10 mm als Mittenabstand A der LEDs 142, ist eine Einkoppellänge B von 57 mm erforderlich, damit sich die abgestrahlten Strahlenbündel der benachbarten LED überlagern (tan 85° = A/5). Um höheren Homogenitätsanforderungen zu genügen, sollten sich die Halbwertsbreiten (FWHM) der übernächsten LEDs 142 ebenfalls überlagern, bevor deren Licht auf einen aufliegenden Hautabdruck 21 fällt. Dafür müsste die Einkoppellänge 114 mm betragen (tan 85° = A/10). Dies zeigt ebenfalls, dass die LEDs 142 bevorzugt so dicht wie möglich angeordnet sind, d.h. dass der Mittenabstand A der LED 142 so klein wie möglich ist, vor allem wenn durch die Vorkollimationsoptiken 143 eine starke Einschränkung der Lichtkegel realisiert wird, d.h. die FWHM klein ist.With a divergence of 10 ° and a distance of 10 mm as the center distance A of the LEDs 142 , a coupling length B of 57 mm is required so that the emitted beams of the neighboring LED overlap (tan 85 ° = A / 5). In order to meet higher homogeneity requirements, the half-widths (FWHM) of the next but one LEDs should be 142 also overlay before light on an overlying skin print 21 falls. The coupling length would have to be 114 mm (tan 85 ° = A / 10). This also shows that the LEDs 142 are preferably arranged as close as possible, ie that the center distance A of the LED 142 is as small as possible, especially when using the pre-collimation optics 143 the light cone is severely restricted, ie the FWHM is small.

In 11 sind drei Draufsichten auf weitere Ausführungsdetails der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer so genannten Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED gezeigt.In 11 three top views of further embodiment details of the device according to the invention with a so-called corner light coupling with at least one LED are shown.

11 enthält dazu eine Teilabbildung (a), die eine Ausführungsform der Lichteinkopplung von einer LED 142 in die Lichtleiterschicht 141 in der Draufsicht zeigt, bei der die Lichteinkopplung durch eine LED 142 an wenigstens einer durch Einkürzung einer Ecke der Lichtleiterschicht 141 umgesetzt ist. Durch eine eingekürzte Ecke 145 wird eine zusätzliche, sehr kurze Schmalseite der Lichtleiterschicht 141 erzeugt, die einen Winkel von 135° mit den üblicherweise vorhandenen Schmalseiten einer rechteckigen Lichtleiterschicht 141 aufweist. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass keine Kollimation des Strahlenbündels 147 der LED 142 in horizontaler Richtung durch eine Vorkollimationsoptik 143 (wie in 9, Abbildungen (c) und (d) gezeigt) notwendig ist. Die LED 142 soll dabei bevorzugt mit einem Winkel von +/-45° zu den benachbarten rechtwinkligen Schmalkanten in die Lichtleiterschicht 141 abstrahlen. Dabei erzeugt jeder Objektpunkt in horizontaler Richtung nur einen diskreten Bildpunkt, wie in der Teilabbildung (a) anhand der schwarzen Punkte zu sehen, weil es keine Überlagerung verschiedener Strahlenbündel gibt (wie im Gegensatz zu 9, Abbildung (a) erläutert). Eine Auflösungsverringerung findet lediglich durch die vertikale Divergenz statt (nicht gezeichnet), die jedoch, wie oben bereits beschrieben, aufgrund der geringen Unterschiede der Brechungsindizes zwischen Lichtleiterschicht 141 und benachbarten Adhäsionsschichten 16 und 18 sowie der Neigungswinkel ε der Lichtauskoppelstrukturen 144 stark eingeschränkt werden kann und sogar Divergenzen von unter +/-5° umsetzbar sind. Der Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht 141 eingekoppelten divergenten Strahlenbündels 147 lässt sich durch einen wachsenden Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen 144 (aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen 144) zum Rand hin kompensieren. Die Form, Größe und Dichteverteilung der Lichtauskoppelstrukturen 144 kann dabei, wie in 3c gezeigt, realisiert und vorzugsweise als trapezförmige, pultförmig ansteigende Flächenelemente ausgeführt sein. 11 contains a partial illustration (a), which shows an embodiment of the light coupling from an LED 142 into the light guide layer 141 shows in the top view, in which the light coupling by an LED 142 at least one by shortening a corner of the light guide layer 141 is implemented. Through a shortened corner 145 becomes an additional, very short narrow side of the light guide layer 141 generates an angle of 135 ° with the usually existing narrow sides of a rectangular light guide layer 141 having. The advantage of this embodiment is that there is no collimation of the beam 147 the LED 142 in the horizontal direction by pre-collimation optics 143 (as in 9 , Figures (c) and (d) shown) is necessary. The LED 142 should preferably be at an angle of +/- 45 ° to the adjacent rectangular narrow edges in the light guide layer 141 radiate. Each object point generates only a discrete image point in the horizontal direction, as can be seen in the partial illustration (a) using the black dots, because there is no superimposition of different beams (as opposed to 9 , Figure (a) explained). A reduction in resolution only takes place due to the vertical divergence (not shown), which, however, as already described above, is due to the slight differences in the refractive indices between the light guide layer 141 and adjacent adhesive layers 16 and 18th as well as the angle of inclination ε the light decoupling structures 144 can be severely restricted and even divergences of less than +/- 5 ° can be implemented. The drop in intensity of the in the light guide layer 141 coupled divergent beam 147 can be achieved through a growing fill factor of the light decoupling structures 144 (from size and density of the light decoupling structures 144 ) compensate towards the edge. The shape, size and density distribution of the light decoupling structures 144 can, as in 3c shown, implemented and preferably designed as a trapezoidal, desk-like rising surface elements.

Bei einer so beschaffenen Eckenbeleuchtung können Reflexionen an den Randbereichen der benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht 141 nachteilig sein, da hierdurch Doppelbilder entstehen und zu einer Verschlechterung der Auflösung führen. Eine bevorzugte Ausführung ist es daher, dass die Lichtleiterschicht 141 an den weiteren Schmalseiten, an denen kein Licht eingekoppelt wird, absorbierende Beschichtungen aufweisen, die dort auftreffendes Licht absorbieren oder auskoppeln.With corner lighting designed in this way, reflections can occur at the edge regions of the adjacent narrow sides of the light guide layer 141 be disadvantageous, since this creates double images and lead to a deterioration in the resolution. A preferred embodiment is therefore that the light guide layer 141 on the other narrow sides, on which no light is coupled in, have absorbent coatings which absorb or couple out light incident there.

In den Teilabbildungen (b) und (c) von 11 sind gegenüber der Teilabbildung (a) weitere Zusatzmaßnahmen gezeichnet. Dabei ist in Teilabbildung (b) eine Mehrfachanordnung von LEDs 142 gezeigt, wobei die Lichtverteilung bzw. -homogenisierung der in diesem Beispiel vorhandenen zwei LEDs 142 durch eine Streuscheibe 146 verbessert ist, durch die Licht in alle Richtungen gleichmäßig (diffus) abgestrahlt wird. Teilabbildung (c) zeigt ein Gestaltungsbeispiel für die eingekürzte Ecke 145, die als konkaver Bogen ausgeführt ist, sodass alle divergent aus der LED 142 austretenden Strahlen ungebrochen in die Lichtleiterschicht 141 eintreten können, wodurch in der gesamten Lichtleiterschicht 141 Lichtquellenlicht gleichverteilt propagieren und ausgekoppelt werden kann.In parts (b) and (c) of 11 additional measures have been drawn compared to part (a). In part (b) there is a multiple arrangement of LEDs 142 shown, the light distribution or homogenization of the two LEDs present in this example 142 through a lens 146 is improved, through which light is emitted evenly (diffusely) in all directions. Partial illustration (c) shows a design example for the shortened corner 145 , which is designed as a concave arc, so that all divergent from the LED 142 emerging rays unbroken into the light guide layer 141 can occur, causing in the entire light guide layer 141 Propagate light source light equally distributed and can be coupled out.

Mit den hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind hochauflösende und kontrastreiche Aufnahmen von Hautabdrücken 21 sowie auch von Dokumenten möglich, die auf einer gezielten Auskopplung von Licht aus einer Lichtleiterschicht 141 unter definierten Winkeln für die interne Totalreflexion (TIR) oder aber für den Lichtaustritt zur Dokumentbeleuchtung basieren. Weiterhin sind Blendenstrukturen als Blendenschicht 133 in der Sensorschicht 13 den einzelnen Sensorelementen 131 zugeordnet, die ausschließlich die definiert aus der Lichtleiterschicht 141 ausgekoppelten TIR-Winkelbereiche zur Detektion zulassen. Über zusätzliche Maßnahmen der Sensorsteuerung zur Einstellung elektronischer Shutterfunktionen (Rolling oder Global Shutter) sind weitere Optimierungen der Bildaufnahmen von Hautabdrücken 21 und sicherheitsrelevanten Dokumenten 3 erreichbar.With the embodiments of the invention described here are high-resolution and high-contrast images of skin prints 21 as well as documents that are based on a targeted coupling of light from a light guide layer 141 based on defined angles for internal total reflection (TIR) or for light emission for document illumination. Furthermore, aperture structures are used as an aperture layer 133 in the sensor layer 13 the individual sensor elements 131 assigned that defines only those from the light guide layer 141 Allow decoupled TIR angular ranges for detection. Additional measures of the sensor control for setting electronic shutter functions (rolling or global shutter) are further optimizations of the image recordings of skin prints 21 and security-relevant documents 3rd reachable.

BezugszeichenlisteReference list

11
SchichtkörperLaminate
1111
AuflageflächeContact surface
1212th
DeckschichtTop layer
1313
SensorschichtSensor layer
131131
lichtempfindliche Elementephotosensitive elements
132132
transparente Bereichetransparent areas
1414
LichtquelleneinheitLight source unit
141141
LichtleiterschichtLight guide layer
141'141 '
(weitere) Lichtleiterschicht(further) light guide layer
142142
LEDLED
143143
VorkollimationsoptikPre-collimation optics
144144
LichtauskoppelstrukturLight decoupling structure
145145
eingekürzte Eckeshortened corner
146146
StreuscheibeLens
147147
StrahlenbündelBundle of rays
1515
erste Adhäsionsschichtfirst adhesive layer
1616
zweite Adhäsionsschichtsecond adhesive layer
1717th
DisplayDisplay
171171
AbschlussschichtFinishing shift
172172
SubstratSubstrate
173173
LeuchtelementschichtLuminous element layer
1818th
weitere Adhäsionsschichtadditional adhesive layer
1919th
Spektralfilterschicht (Bandpass)Spectral filter layer (bandpass)
22nd
Fingerfinger
2121
(aufzunehmender) HautabdruckSkin impression (to be recorded)
33rd
Dokumentdocument
44th
StörlichtStray light
αα
Lichtleitwinkel (des in der Lichtleiterschicht geführten Lichts)Light guiding angle (of the light guided in the light guiding layer)
β, β'β, β '
Beleuchtungswinkel (an der Auflagefläche)Illumination angle (on the contact surface)
δδ
Austrittswinkel (aus der LichtleiterschichtExit angle (from the light guide layer
ε, ε'ε, ε '
Neigungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Angle of inclination (of the light decoupling structure)
ϕ, ϕ'ϕ, ϕ '
Reflexionswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Reflection angle (of the light decoupling structure)
γγ
Brechungswinkel (der Lichtauskoppelstruktur)Angle of refraction (of the light decoupling structure)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102015115484 B3 [0009]DE 102015115484 B3 [0009]
  • US 2018/0121701 A1 [0011]US 2018/0121701 A1 [0011]
  • WO 2017/118030 A1 [0011]WO 2017/118030 A1 [0011]
  • US 2018/0165497 A1 [0012]US 2018/0165497 A1 [0012]
  • US 2018/0128957 A1 [0013]US 2018/0128957 A1 [0013]
  • US 2017/0085813 A1 [0044]US 2017/0085813 A1 [0044]

Claims (17)

Vorrichtung zur optischen Direktaufnahme von Hautabdrücken, mit einem Schichtkörper (1), der eine Auflagefläche (11), die durch eine Deckschicht (12) des Schichtkörpers (1) gebildet ist, sowie eine Sensorschicht (13) und eine Lichtquelleneinheit (14) enthält, wobei die Sensorschicht (13) in einem Sensorraster angeordnete lichtempfindliche Elemente (131) und transparente Bereiche (132) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Lichtquelleneinheit (14) als Lichtleiterschicht (141) ausgebildet und unterhalb der Sensorschicht (13) angeordnet ist, wobei die Lichtleiterschicht (141) an einer Schmalseite eine Lichteinkopplung mittels LED (142) aufweist, - die Lichtleiterschicht (141) mit Lichtauskoppelstrukturen (144) versehen ist, die auf Basis eines Neigungswinkels der Lichtauskoppelstrukturen (144) und von Unterschieden der Brechungsindizes zwischen den Nachbarschichten der Lichtleiterschicht (141) bis zur Deckschicht (12) eine gerichtete Lichtauskopplung aus der Lichtleiterschicht (141) unter einem definierten Winkel, der nach Durchlaufen aller Schichten bis zur Deckschicht (12) an der Auflagefläche (11) beim Übergang zu Luft zu interner Totalreflexion (TIR) führt, und mit einem kleinen Divergenzwinkelbereich von ≤ +/-15° gestatten, um eine hohe örtliche Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21) zu erreichen, - zwischen Deckschicht (12) und Sensorschicht (13) eine erste Adhäsionsschicht (15) sowie zwischen Sensorschicht (13) und Lichtleiterschicht (141) eine zweite Adhäsionsschicht (16) vorhanden sind, wobei - die zweite Adhäsionsschicht (16) einen Brechungsindex aufweist, der mindestens 1 % und höchstens 30 % kleiner als die Brechungsindizes der Lichtleiterschicht (141) und der Sensorschicht (13) ist, deren Brechungsindizes zwischen 1,45 und 1,8 liegen, und - die erste Adhäsionsschicht (15) einen Brechungsindex aufweist, der mindestens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht (16).Device for the optical direct recording of skin impressions, with a laminated body (1), which contains a contact surface (11), which is formed by a cover layer (12) of the laminated body (1), as well as a sensor layer (13) and a light source unit (14), wherein the sensor layer (13) has photosensitive elements (131) and transparent areas (132) arranged in a sensor grid, characterized in that - the light source unit (14) is designed as a light guide layer (141) and is arranged below the sensor layer (13), wherein the light guide layer (141) has a light coupling by means of LED (142) on a narrow side, - the light guide layer (141) is provided with light decoupling structures (144) based on an angle of inclination of the light decoupling structures (144) and on differences in the refractive indices between the neighboring layers of the Light guide layer (141) up to the cover layer (12) a directional light coupling out of the light guide layer t (141) at a defined angle, which after passing through all layers up to the top layer (12) on the support surface (11) leads to total internal reflection (TIR) at the transition to air, and with a small divergence angle range of ≤ +/- 15 ° allow a high local resolution of the skin impression (21) to be recorded, - between the cover layer (12) and the sensor layer (13) a first adhesion layer (15) and between the sensor layer (13) and the light guide layer (141) a second adhesion layer (16) are present, wherein - the second adhesion layer (16) has a refractive index which is at least 1% and at most 30% smaller than the refractive indices of the light guide layer (141) and the sensor layer (13), the refractive indices of which are between 1.45 and 1.8 lie, and - the first adhesive layer (15) has a refractive index which is at least as large as that of the second adhesive layer (16). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die LED-Lichteinkopplung eine der LED (142) nachgeordnete Vorkollimationsoptik (143) an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) aufweist, mit der in dem jeweils in die Lichtleiterschicht (141) eingekoppelten Strahlenbündel eine horizontale Divergenz zwischen 2,5° und 30° eingestellt ist, um eine verbesserte Auflösung des aufzunehmenden Hautabdrucks (21) zu erreichen.Device after Claim 1 , characterized in that the LED light coupling has a precollimation optics (143) downstream of the LED (142) on the narrow side of the light guide layer (141), with which a horizontal divergence between 2.5 in the beam bundle coupled into the light guide layer (141) ° and 30 ° is set in order to achieve an improved resolution of the skin impression (21) to be recorded. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkollimationsoptik (143) ein refraktives optisches Element ist, das an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) eingearbeitet ist.Device after Claim 2 , characterized in that the pre-collimation optics (143) is a refractive optical element which is incorporated on the narrow side of the light guide layer (141). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkollimationsoptik (143) in Form einer konvexen oder GRIN-Linse an der Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) eingearbeitet ist.Device after Claim 3 , characterized in that the pre-collimation optics (143) are incorporated in the form of a convex or GRIN lens on the narrow side of the light guide layer (141). Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorkollimationsoptik (143) innerhalb der Lichtleiterschicht (141) in Form einer konkaven Linse aus einem Medium mit gegenüber der Lichtleiterschicht (141) niedrigerem Brechungsindex ausgebildet ist.Device after Claim 3 , characterized in that the pre-collimation optics (143) within the light guide layer (141) is designed in the form of a concave lens made of a medium with a lower refractive index than the light guide layer (141). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von eng benachbarten LEDs (142) entlang einer Schmalseite der Lichtleiterschicht (141) angeordnet sind, sodass deren Strahlenbündel aufgrund der horizontalen Divergenz nach einer definierten Einkoppellänge (B, C) eine angeglichene Lichtintensität in der Lichtleiterschicht (141) bewirken.Device according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that a plurality of closely adjacent LEDs (142) are arranged along a narrow side of the light guide layer (141), so that their beam bundles have an adjusted light intensity in the light guide layer (141) due to the horizontal divergence after a defined coupling-in length (B, C) cause. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eckenlichteinkopplung mit mindestens einer LED (142) an wenigstens einer durch Einkürzung einer Ecke der Lichtleiterschicht vorhandenen Schmalseite angeordnet ist, wobei ein Intensitätsabfall des in die Lichtleiterschicht (141) eingekoppelten divergenten Strahlenbündels durch einen wachsenden Füllfaktor aus Größe und Dichte der Lichtauskoppelstrukturen (144) kompensiert ist.Device after Claim 1 , characterized in that a corner light coupling with at least one LED (142) is arranged on at least one narrow side provided by shortening a corner of the light guide layer, an intensity drop in the divergent beam bundle coupled into the light guide layer (141) due to a growing fill factor of size and density of the Light decoupling structures (144) is compensated. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Streuscheibe zwischen LED und Schmalseite der eingekürzten Ecke (145) der Lichtleiterschicht (141) zur Gleichverteilung des eingekoppelten Lichts in alle Raumwinkel angeordnet ist, sodass kein Lichtabfall an der eingekürzten Ecke (145) benachbarten Schmalseiten der Lichtleiterschicht (141) zu kompensieren ist.Device after Claim 7 , characterized in that a diffusing screen is arranged between the LED and the narrow side of the shortened corner (145) of the light guide layer (141) for uniform distribution of the coupled light in all solid angles, so that there is no light drop at the narrowed corner (145) adjacent narrow sides of the light guide layer (141) is to be compensated. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der ersten Adhäsionsschicht (15) genauso groß ist wie der Brechungsindex der zweiten Adhäsionsschicht (16), sodass ein Anteil von Störlicht (4), der infolge von durch Umgebungslicht erzeugter Anregung aus den auf der Auflagefläche (11) aufliegenden Hautbereichen (21) austritt, aufgrund von TIR innerhalb der Deckschicht (12) von einer Ausbreitung in Richtung der Sensorschicht (13) ausgeblendet wird.Device after Claim 1 , characterized in that the refractive index of the first adhesive layer (15) is the same size as the refractive index of the second adhesive layer (16), so that a proportion of stray light (4) resulting from excitation generated by ambient light from those on the contact surface (11) overlying skin areas (21), due to TIR within the cover layer (12) from being spread out in the direction of the sensor layer (13). Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtkörper (1) ein Display (17) zur Darstellung von Nutzerinformationen aufweist, das unterhalb des Lichtleiters (141) angelegt ist.Device after Claim 1 , characterized in that the laminate (1) has a display (17) for displaying user information, which is placed below the light guide (141). Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Display (17) an der Unterseite der Lichtleiterschicht (141) entweder abnehmbar ohne Klebstoffschicht oder mittels einer weiteren niedrigbrechenden Adhäsionsschicht (18) mit einem Brechungsindex, der höchstens so groß ist wie derjenige der zweiten Adhäsionsschicht (16), befestigt ist.Device after Claim 10 , characterized in that the display (17) on the underside of the light guide layer (141) either removable without an adhesive layer or by means of a further low-index adhesive layer (18) with a Refractive index, which is at most as large as that of the second adhesive layer (16) is attached. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelstrukturen so ausgebildet sind, dass nur zwischen 50% und 95% des aus der Lichtleiterschicht (141) ausgekoppelten Beleuchtungslichts beim Übergang zu Luft an der Auflagefläche (11) in der Deckschicht (12) totalreflektierter Lichtanteil sind, während ein verbleibender restlicher Lichtanteil zur Beleuchtung von Dokumenten (3) nutzbar ist.Device according to one of the Claims 1 to 11 , characterized in that the light outcoupling structures are designed such that only between 50% and 95% of the illuminating light outcoupled from the light guide layer (141) are totally reflected light portion during the transition to air on the contact surface (11) in the cover layer (12), while remaining light portion can be used to illuminate documents (3). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllfaktor der Lichtauskoppelstrukturen (144), gebildet durch Größe und Abstände der Lichtauskoppelstrukturen (144), für jede Stelle der Lichtleiterschicht (141) mindestens so groß ist, dass die Lichtauskoppelstrukturen (144) in einem aufzunehmenden Abdruckbild von Hautbereichen nicht sichtbar sind.Device according to one of the Claims 1 to 12th , characterized in that the fill factor of the light decoupling structures (144), formed by the size and spacing of the light decoupling structures (144), is at least so great for each point of the light guide layer (141) that the light decoupling structures (144) are not in an imprint image of skin areas are visible. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtauskoppelstrukturen (144) einen Abstand s aufweisen, der sehr viel kleiner ist als eine resultierende Strahldivergenz der Lichtauskoppelstrukturen (144) der Lichtleiterschicht (141).Device after Claim 13 , characterized in that the light outcoupling structures (144) have a distance s which is very much smaller than a resulting beam divergence of the light outcoupling structures (144) of the light guide layer (141). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass unter der transparenten Lichtleiterschicht (141) eine weitere transparente Lichtleiterschicht (141') angebracht und mit dieser durch eine weitere Adhäsionsschicht (18), die einen niedrigen Brechungsindex wie die erste und zweite Adhäsionsschicht (16) aufweist, verbunden ist.Device according to one of the Claims 1 to 14 , characterized in that a further transparent light guide layer (141 ') is attached under the transparent light guide layer (141) and is connected to this by a further adhesion layer (18) which has a low refractive index like the first and second adhesion layer (16). Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141) und die weitere Lichtleiterschicht (141') die Lichteinkopplung an gegenüberliegenden Schmalseiten des Schichtkörpers (1) aufweisen.Device after Claim 15 , characterized in that the light guide layer (141) and the further light guide layer (141 ') have the light coupling on opposite narrow sides of the layer body (1). Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleiterschicht (141) und die weitere Lichtleiterschicht (141') die Lichteinkopplung an derselben Schmalseite des Schichtkörpers (1) haben und Lichtauskoppelstrukturen (144) mit gleicher Ausrichtung aufweisen, wobei die Lichtleiterschicht (141) und die weitere Lichtleiterschicht (141') Lichtauskoppelstrukturen (144) mit derart unterschiedlichen Neigungswinkeln ε aufweisen können, soweit diese unterschiedlichen Neigungswinkel ε jeweils Beleuchtungswinkel β erzeugen, die an der Auflagefläche (11) zu Totalreflexion führen.Device after Claim 15 , characterized in that the light guide layer (141) and the further light guide layer (141 ') have the light coupling on the same narrow side of the layer body (1) and have light coupling structures (144) with the same orientation, the light guide layer (141) and the further light guide layer ( 141 ') can have light decoupling structures (144) with such different angles of inclination ε, insofar as these different angles of inclination ε each produce illumination angles β which lead to total reflection on the contact surface (11).
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